Reaksi Pembentukan Cincin Pada Senyawa Karbonil

Dalam kimia organik, gugus karbonil adalah sebuah gugus fungsi yang terdiri dari sebuah atom karbon yang berikatan rangkap dengan sebuah atom oksigen: C=O.
Istilah karbonil juga dapat merujuk pada karbon monoksida sebagai sebuah ligan pada senyawa anorganik atau kompleks organologam (misalnya nikel karbonil); dalam situasi ini, karbon berikatan rangkap tiga dengan oksigen C≡O.

Sebelum kita masuk ke diskusi tentang siklik hemiacetals dan hemiacetals, hanya cepat ingat bagaimana mereka terbentuk. Mereka terbentuk ketika atom oksigen alkohol menambahkan karbon karbonil Aldehida atau keton. Hal ini terjadi melalui serangan nukleofilik kelompok hidroksil di gugus karbonil elektrofilik. Karena alkohol nucleophiles lemah, serangan karbon karbonil biasanya dipromosikan oleh protonation oksigen karbonil. Ketika reaksi ini berlangsung dengan Aldehida, produk yang disebut 'hemiacetal'; dan ketika reaksi ini berlangsung dengan keton, produk disebut sebagai 'hemiketal'.

Reaksi atas mencontohkan pembentukan hemiacetal tensil. Ini intrinsik tidak stabil dan cenderung mendukung Aldehida.
Molekul (Aldehida atau keton), yang mengandung alkohol dan gugus karbonil, sebaliknya dapat mengalami reaksi intramolecular untuk membentuk hemiacetal siklik / hemiketal. Ini, sebaliknya, lebih stabil dibandingkan dengan tensil hemiacetals/hemiketals. Stabilitas siklik hemiacetals/hemiketals sangat tergantung pada ukuran ring, dimana 5 & 6 beranggota cincin umumnya yang disukai.

Intramolecular hemiacetal dan hemiketal pembentukan sering ditemui dalam kimia gula. Hanya untuk memberikan sebuah contoh: dalam larutan, ~ 99% glukosa ada dalam bentuk hemiacetal siklik dan hanya 1% dari glukosa yang ada dalam bentuk terbuka. 


Sebuah cincin yang membentuk reaksi atau cincin-penutupan reaksi dalam kimia organik adalah istilah umum untuk berbagai reaksi yang memperkenalkan satu atau lebih cincin ke molekul. Heterocycle yang membentuk reaksi adalah satu reaksi yang memperkenalkan heterocycle baru. [ [2] penting kelas cincin membentuk reaksi meliputi annulations [3] dan cycloadditions.
Cincin bernama membentuk reaksi

Reaksi pembentukan cincin bernama meliputi (tidak lengkap):

Azide-alkyne Huisgen dienae
    Reaksi Bischler-Napieralski
    Sintesis karbazol Margna
    Danheiser annulation
    Reaksi Diels-Alder
    Fischer indole sintesis
    Larock indole sintesis
    Sintesis Paal-Knorr
    Reaksi Pictet-Spengler
    Reaksi Pomeranz-Fritsch
    Penutupan cincin metatesis
    Robinson annulation
    Reaksi Skraup

Bagian carbanion ylid fosfonium bertindak sebagai nucleophile, dan serangan kelompok cabonyl Sikloheksanon. Ini menghasilkan oksigen bermuatan negatif yang kemudian dapat menyerang fosfor yang bermuatan positif, memberikan empat-beranggota cincin yang disebut oxaphosphetane.

Struktur cincin ini tidak stabil dan bisa runtuh dengan cara yang membentuk dua ikatan rangkap. Mekanisme yang terpadu dan memberikan alkena yang merupakan produk, bersama dengan fosfin oksida yang menyediakan kekuatan pendorong termodinamika.  

Pada reaksi pembentukan cincin karbonil dapat direaksikan dengan gugus siklik ataupun benzena, berikut ini adalah contohnya:

–         Reaksi benzena dengan mensubstitusi atom H oleh gugus asil

–         Gugus asil adalah gugus yang diturunkan dari asam benzoat (—COOH) dengan menghilangkan gugus hidroksil-nya (—OH) dan diberi nama akhiran -oil

–         Menggunakan katalis AlCl3

–         Hasil akhir (produk) berupa benzena dengan gugus keton yang berikatan dengan gugus metil.

Dalam reaksi pembentukan cincin pada senyawa karbonil, salah satunya dikenal reaksi Diels-Alder.

Reaksi di atas dianamakan reaksi sikloadisi Diels-Alder. dalam reaksi ini membentuk 2 ikatan karbon - karbon dalam satu tahap dan merupakan metode umum untuk membuat molekul siklik. Dalam reaksi ini, 2 reaktan bereaksi bersama sama melalui bentuk transisi siklik yang mana dua ikatan C-C baru terbentuk dalam waktu yang sama.

Reaksi ini terjadi paling cepat jika senyawa alkena, atau dienophile, memiliki gugus subtituen penarik elektron. oleh karenanya, etilen sendiri akan berekasi dengan lambat, tetapi propenal, etil propenoat, benzoquinon , dan senyawa yang mirip sangat lah tinggi reaktivitasnya.

Pada semua kasus, ikatan rangap 2 ataupun tiga dari dienophile berdekatan ke karbon yang terpolarisasi positif dari substitueun penarik elektron. sebagai hasilnya, karbon rangkap 2 pada substansi ini menjadi kurang kaya elektron diabndingkan karbon pada etilen. Jadi, potensial elektrostatik dari etilen, propenal, dll menunjukkan bahwa gugus penarik elektron menyebabkan karbon ikatan rangkap 2 menjadi kurang kaya elektron.

Reaksi Diels-Alder

            Reaksi Diels-Alder merupakan salah satu cara membuat cincin pada sintesis organik. Reaksi Diels-Alder berlangsung antara diena terkonjugasi (1) dengan suatu dienofil (2). Selain alkena, alkuna (3) juga dapat bertindak sebagai dienofil.

Adanya gugus penarik elektron pada dienofil akan menyebabkan reaksi semakin mudah berlangsung. Reaksi ini bersifat regioselektif dan stereoselektif karena proses pembentukan cincin berlangsung dalam satu tahap sehingga tidak ada waktu untuk berotasi. Trans dienofil  akan memberikan produk trans, dan begitu sebaliknya untuk cis dienofil

Pada reaksi Diels-Alder biasanya terdapat istilah produk ekso dan produk endo. Istilah ini mengacu pada hubungan antara gugus penarik elektron dan dienofil terhadap ikatan rangkap pada cincin sikloheksena yang baru terbentuk. Dalam praktek, produk endo umumnya lebih dominan karena merupakan produk kinetik, sementara produk ekso yang lebih stabil merupakan produk termodinamik.

Mekanisme Reaksi Adisi Siklo (Diels-Alder)

Reaksi adisi siklo (Diels Alder) merupakan reaksi antara diena terkonjugasi dengan suatu dienofil. Dalam hal ini, reaksi Diels Alder hanya dapat berlangsung jika diena terkonjugasi tersebut berada dalam bentuk konformasi s-cis. Reaksi ini melibatkan pemutusan satu ikatan π dari diena dan juga satu ikatan ikatan π dienofil. Selain itu, reaksi ini juga melibatkan pembentukan cincin (siklisasi) antara diena dan dienofil, sehingga menghasilkan senyawa siklik, sebagaimana diilustrasikan pada Gambar berikut.

Jika diena terkonjugasi tersebut berada dalam bentuk konformasi s-trans, maka reaksi masih dapat berlangsung dengan bantuan pemanasan. Ikatan tunggal C-C pada diena s-trans dapat mengalami rotasi dengan bantuan pemanasan, sehingga bentuk konformasi s-trans dapat berubah menjadi s-cis, sebagaimana dapat dilihat pada Gambar berikut.

Tidak semua diena terkonjugasi dengan konformasi s-trans dapat berubah menjadi s-cis. Pada sikloalkadiena s-trans dengan salah satu ikatan π  berada pada suatu cincin, sedangkan satu ikatan π yang lain berada di luar cincin, rotasi ikatan tidak dapat terjadi, sehinga reaksi Diels Alder tidak dapat berlangsung meskipun sudah dibantu dengan pemanasan. Contoh s-trans alkadiena yang tidak dapat mengalami perubahan konformasi dapat dilihat pada Gambar di bawah ini.

Mekanisme reaksi Diels Alder dipengaruhi oleh kehadiran gugus pendorong elektron pada diena dan gugus penarik elektron pada dienofil, sebagaimana dijelaskan melalui gambar berikut.

Sikloalkadiena dengan konformasi s-cis dapat bereaksi dengan dienofil menghasilkan senyawa-senyawa bisiklik dengan konfigurasi Endo,sebagaimana dapat dilihat pada Gambar di bawah ini.

Pada reaksi antara dienofil benzoquinon dengan 2 eqivalen diena, diena tersebut dapat bereaksi dua kali, sebagaimana dijelaskan melalui Gambar berikut.

Reaksi Diena terkonjugasi dengan Alkena

Diena terkonjugasi mengalami beberapa reaksi yang unik. Salah satunya ditemukan pada tahun 1928 ketika Otto Diels dan Kurt Alder menunjukkan bahwa banyak diena terkonjugasi mengalami reaksi adisi dengan alkena atau alkuna tertentu. Jenis reaksi antara diena terkonjugasi dan alkena tersubstitusi (umumnya dinamakan sebagai dienofil), membentuk sikloheksenatersubstitusidinamakan reaksi Diels-Alder. Atas penemuan ini mereka berhasil  mendapatkan hadiah Nobel di bidang Kimia pada tahun 1950.

Reaksi Diels Alder merupakan reaksi sikloadisi yang bergantung pada suhu dan mekanismenya melibatkan tumpang tindih antara orbital sigma dan orbital pi. Reaksi ini terjadi antara molekul dengan dua ikatan rangkap dua terkonjugasi (diena) dan molekul dengan satu ikatan rangkap dua (dienofil) serta menghasilkan dua ikatan karbon-karbon yang baru dan satu molekul sikoheksana yang tidak jenuhdalam satu langkah.                                    

Gambar 6.  Reaksi Diels - Alder

Reaksi Diels-Alder adalah proses perisiklik, yang terjadi pada satu langkah dengan pendistribusian kembali elektron ikatan secara melingkar (siklik). Dua ikatan reaktan yang sederhana bersatu melalui keadaan transisi siklik dan dua ikatan karbon baru terbentuk pada saat yang sama. Pada keadaan transisi Diels- dua karbon alkena dan karbon 1,4 pada diena terhibridisasi ulang dari sp2 menjadi sp³ untuk membentuk dua ikatan tungggal baru, sehingga karbon 2,3 pada diena terhibridisasi sp² membentuk ikatan rangkap baru pada produk sikloheksena (Mc Murry, 2008). 

Gambar 7. Perubahan hibridisasi pada reaksi Diels – Alder

Reaksi Diels – Alder disebut juga sikloadisi (4 + 2) karena cincin terbentuk oleh interaksi 4 elektron π pada diena dan 2 elektron π pada alkena atau alkuna (Wade, 2006).

Dalam reaksi Diels – Alder, diena adalah gugus yang kaya elektron, sedang dienofil (diene – lover) adalah gugus yang miskin elektron.

  

Gambar 8. Mekanisme reaksi Diels – Alder

Reaksi Diels – Alder akan terjadi lebih cepat jika dienofil mempunyai gugus substituen penarik elektron, karena substituen penarik elektron ini menyebabkan ikatan rangkap dua atau tiga dari dianofil menjadi terpolarisasi positif. Berikut adalah gambar potensial elektrostatik yang menunjukkan C ikatan rangkap berkurang kenegatifannya akibat substituen penarik elektron.

 

Gambar 9. Potensial elektrostatik etilena, propenal dan propenanitril yang menunjukkan adanya gugus penarik elektron menyebabkan C ikatan rangkap berkurang kenegatifannya.

Contoh dienofil yang sering digunakan dalam reaksi Diels – Alder :

 

  Saat diena berbentuk siklik, maka produk bisiklik akan diperoleh dalam reaksi Diels-Alder. Faktanya, reaksi ini adalah salah satu cara terbaik untuk membuat senyawa bisiklik.

Gambar 10. Pembentukan senyawa bisiklik dengan reaksi Diels - Alder

Sintesis indola Fischer 

 adalah sebuah reaksi kimia antara fenilhidrazina (bersubstituen) dengan aldehida atau keton di bawah kondisi asam yang menghasilkan heterolingkar aromatik indola.^[1][2] Reaksi ini ditemukan pada tahun 1883 oleh Hermann Emil Fischer. Zaman sekarang, obat-obatan antimigrain sering disintesis menggunakan metode ini.

Pilihan penggunaan katalis asam sangatlah penting. Asam Bronsted seperti HCl, asam sulfat, asam fosfat, dan asam p-toluenasulfonat dapat digunakan. Asam Lewis seperti boron trifluorida, seng klorida, perak klorida, dan aluminium klorida juga merupakan katalis yang cukup baik.
Beberapa tinjauan terhadap reaksi ini telah dipublikasikan.

Mekanisme reaksi

Reaksi antara fenilhidrazina bersubstituen dengan aldehida atau keton pada awalnya menghasilkan fenilhidrazon, yang kemudian akan berisomerisasi menjadi enamina. Setelah protonasi, reaksi penataan ulang 3,3-sigmatropik tejadi, dan menghasilkan imina. Imina yang dihasilkan akan membentuk aminosetal siklik (amina), yang di bawah kondisi asam akan mengeliminasi amonia, menghasilkan indola aromatik.

Kajian pelabelan isotopik menunjukkan bahwa nitrogen aril (N1) dari fenilhidrazina semula terkandung dalam indola yang dihasilkan.^[6][7]

Modifikasi Buchwald

Dengan menggunakan kimia paladium yang dikembangkan MIT oleh Stephen Buchwald, sintesis indola Fischer dapat dilakukan dengan menggunakan aril bromida sebagai bahan awal.^[8]

Asam metanasulfonat juga dapat digunakan sebagai katalis asam pada reaksi ini 


Permasalahan                 
1. Reaksi diels alders terjadi paling cepat jika senyawa alkena, atau dienophile, memiliki gugus subtituen penarik elektron. oleh karenanya, etilen sendiri akan berekasi dengan lambat, tetapi propenal, etil propenoat, benzoquinon , dan senyawa yang mirip sangat lah tinggi reaktivitasnya. dari hal tersebut apakah yang terjadi jika pada reaski ini tidak dimilki gugus substituen?
2.
Reaksi antara fenilhidrazina bersubstituen dengan aldehida atau keton pada awalnya menghasilkan fenilhidrazon, yang kemudian akan berisomerisasi menjadi enamina. Setelah protonasi, reaksi penataan ulang 3,3-sigmatropik tejadi, dan menghasilkan imina. Imina yang dihasilkan akan membentuk aminosetal siklik (amina), yang di bawah kondisi asam akan mengeliminasi amonia, menghasilkan indola aromatik. dari hal tersebut , bagaimana jika berada pada keadaan asam ,apa produk yang dihasilkan?

3.

 dalam artikel dijelaskan jika reaksi Diels Alder hanya dapat berlangsung jika diena terkonjugasi tersebut berada dalam bentuk konformasi s-cis. bagaimana jika dalam trans, apakah tidak akan terjadi reaksi?