Materi Kimia: Benzena dan Turunannya

Pokok Bahasan Terpisah: Senyawa aromatik dipelajari terpisah dari senyawa alifatik karena memiliki sifat, struktur, dan reaksi yang sangat khas (aturan Hückel, resonansi, substitusi elektrofilik aromatik).

Materi ini masih dalam tahap pengembangan, belum final.

1. Struktur dan Sifat Khas Benzena

A. Rumus dan Struktur Benzena

C₆H₆

Struktur Kekulé: Alternatif ikatan tunggal dan rangkap

B. Konsep Resonansi dan Aromatisitas

Struktur Resonansi 1 dan 2

Sifat Aromatisitas (Aturan Hückel):

1. Siklik dan Planar: Molekul berbentuk cincin datar
2. Terkonjugasi sempurna: Sistem π terdelokalisasi
3. Memenuhi aturan 4n+2: Jumlah elektron π = 2, 6, 10, 14,...
4. Benzena: 6 elektron π → 4(1)+2 = 6 → aromatik

Untuk mempelajari lebih lanjut tentang identifikasi kearomatikan molekul dapat menggunakan simulator ini.

C. Bukti Eksperimental Struktur Benzena

Bukti	Penjelasan	Implikasi
Panjang ikatan C-C seragam	1,39 Å (antara ikatan tunggal 1,54 Å dan rangkap 1,34 Å)	Ikatan identik, tidak ada alternatif tunggal-rangkap
Stabilitas tinggi	Entalpi hidrogenasi lebih rendah 150 kJ/mol dari perkiraan	Energi resonansi = 150 kJ/mol (stabilisasi)
Sulit mengalami adisi	Lebih suka substitusi daripada adisi	Mempertahankan sistem aromatik
Reaksi khas: Substitusi	Bukan adisi seperti alkena	Sistem π terkonjugasi dipertahankan

2. Reaksi Benzena: Substitusi Elektrofilik Aromatik (SEAr)

Mekanisme Umum SEAr:

1. Pembentukan elektrofil (E⁺)
2. Serangan elektrofil pada cincin benzena → kompleks σ (intermediet arenium)
3. Kehilangan H⁺ → regenerasi sistem aromatik

A. Nitrasi

C₆H₆ + HNO₃ + H₂SO₄ → C₆H₅NO₂ + H₂O

Mekanisme:

1. Pembentukan elektrofil NO₂⁺ (ion nitronium):
HNO₃ + 2H₂SO₄ → NO₂⁺ + H₃O⁺ + 2HSO₄^-
2. Serangan NO₂⁺ pada cincin benzena
3. Kehilangan H⁺ membentuk nitrobenzena

B. Sulfonasi

C₆H₆ + H₂SO₄ (pekat) → C₆H₅SO₃H + H₂O

Elektrofil: SO₃ (asam sulfat fuming)

C. Halogenasi

C₆H₆ + X₂ + katalis FeX₃ → C₆H₅X + HX

Mekanisme: FeX₃ mempolarisasi X₂ → X⁺ dan FeX₄^-

D. Alkilasi Friedel-Crafts

C₆H₆ + R-Cl + AlCl₃ → C₆H₅-R + HCl

Elektrofil: R⁺ (karbokation) dari alkil halida

Contoh: CH₃Cl + AlCl₃ → CH₃⁺ + AlCl₄^-

E. Asilasi Friedel-Crafts

C₆H₆ + R-COCl + AlCl₃ → C₆H₅-CO-R + HCl

Elektrofil: R-CO⁺ (asil kation)

Batasan Friedel-Crafts: Tidak bekerja untuk cincin benzena yang terdeaktivasi kuat (misal: nitrobenzena) atau dengan gugus penarik elektron.

3. Turunan Benzena Penting dan Tata Namanya

A. Sistem Penamaan

Aturan Penamaan Turunan Benzena:

1. Jika satu substituen: nama substituen + "benzena"
2. Jika dua substituen: gunakan awalan ortho- (1,2), meta- (1,3), para- (1,4)
3. Jika ≥ tiga substituen: gunakan penomoran (beri nomor terendah)
4. Beberapa nama trivial diterima (toluena, anilin, fenol, dll.)

B. Turunan Monosubstitusi Penting

Toluena (Metilbenzena)

C₆H₅-CH₃

Gugus: -CH₃

Sifat: Cair tak berwarna, pelarut organik

Kegunaan: Pelarut, bahan baku TNT, sintesis kimia

Fenol (Hidroksibenzena)

C₆H₅-OH

Gugus: -OH

Sifat: Asam lemah (pKa ≈ 10), antiseptik

Kegunaan: Desinfektan, resin fenolik, aspirin

Anilin (Aminobenzena)

C₆H₅-NH₂

Gugus: -NH₂

Sifat: Basa lemah, beracun

Kegunaan: Zat warna, obat, polimer

Benzaldehida

C₆H₅-CHO

Gugus: -CHO

Sifat: Aroma almond, aldehid aromatik

Kegunaan: Flavor, parfum, sintesis

Asam Benzoat

C₆H₅-COOH

Gugus: -COOH

Sifat: Padatan kristal, asam lemah

Kegunaan: Pengawet makanan (E210)

Nitrobenzena

C₆H₅-NO₂

Gugus: -NO₂

Sifat: Cair kuning, beracun

Kegunaan: Bahan baku anilin, pelarut

C. Turunan Disubstitusi

Nama	Struktur	Posisi	Contoh
o-xilena	C6H4(CH3)2	1,2-dimetilbenzena	Pelarut, bahan kimia
m-xilena	C6H4(CH3)2	1,3-dimetilbenzena	Bahan baku plastik
p-xilena	C6H4(CH3)2	1,4-dimetilbenzena	Bahan baku PET (botol plastik)
o-nitrotoluena	C6H4(CH3)(NO2)	1-metil-2-nitrobenzena	Sintesis zat warna

Lebih lanjut dan mendetail tentang tata nama senyawa turunan benzena dapat dipelajari pada tautan ini.

4. Pengaruh Substituen pada Reaktivitas Benzena

A. Substituen Pengarah Ortho-Para (Aktivator)

Ciri-ciri:

• Meningkatkan reaktivitas cincin benzena
• Mengarahkan substituen baru ke posisi ortho dan para
• Biasanya gugus pendonor elektron (efek +I atau +R)

Substituen	Jenis	Contoh Senyawa	Mekanisme
-NH2, -NHR, -NR2	Aktivator kuat	Anilin	Efek +R (resonansi)
-OH, -OR	Aktivator kuat	Fenol, Anisol	Efek +R
-CH3, -R (alkil)	Aktivator lemah	Toluena	Efek +I (induktif)
-C6H5	Aktivator lemah	Bifenil	Efek +R terkonjugasi

B. Substituen Pengarah Meta (Deaktivator)

Ciri-ciri:

• Menurunkan reaktivitas cincin benzena
• Mengarahkan substituen baru ke posisi meta
• Biasanya gugus penarik elektron (efek -I atau -R)

Substituen	Jenis	Contoh Senyawa	Mekanisme
-NO2	Deaktivator kuat	Nitrobenzena	Efek -R kuat
-CN	Deaktivator kuat	Benzonitril	Efek -I dan -R
-COOH, -COOR	Deaktivator sedang	Asam benzoat, Ester	Efek -R
-CHO, -COR	Deaktivator sedang	Benzaldehida, Asetofenon	Efek -R
-SO3H	Deaktivator kuat	Asam benzenasulfonat	Efek -I kuat

Pengecualian: Halogen (-Cl, -Br, -I) adalah deaktivator ortho-para. Meskipun menarik elektron (-I), pasangan elektron bebas dapat beresonansi (+R) ke cincin pada posisi ortho-para.

5. Senyawa Aromatik Polisiklik

Naftalena

C₁₀H₈

Struktur: 2 cincin benzena bersebelahan

Sifat: Padatan putih, bau khas

Kegunaan: Kapur barus, insektisida

Antrasena

C₁₄H₁₀

Struktur: 3 cincin benzena linear

Sifat: Padatan tak berwarna, fluoresen

Kegunaan: Zat warna, penelitian

Fenantrena

C₁₄H₁₀

Struktur: 3 cincin benzena angular

Sifat: Isomer antrasena

Kegunaan: Biologi, obat

6. Aplikasi dan Bahaya Senyawa Aromatik

A. Aplikasi Industri

Senyawa	Industri	Produk Akhir
Benzena	Petrokimia	Stirena (polistirena), Sikloheksana (nilon), Fenol
Toluena	Kimia, Bahan Peledak	TNT, Pelarut, Benzena (dealkilasi)
p-xilena	Polimer	Asam tereftalat → PET (botol plastik)
Fenol	Polimer, Farmasi	Bakelit, Aspirin, Disinfektan
Anilin	Zat Warna, Karet	Zat warna azo, MDI (poliuretan)

B. Bahaya dan Toksisitas

Bahaya Benzena:

• Karsinogen: Menyebabkan leukemia
• Toksik sistemik: Merusak sumsum tulang
• Volatil: Mudah menguap, bahaya inhalasi
• Batas paparan: Sangat rendah (0.5-1 ppm)

Penting: Penggunaan benzena murni sangat dibatasi. Dalam laboratorium sekolah, biasanya digunakan toluena sebagai pengganti yang lebih aman.

7. Contoh Soal dan Pembahasan

Soal 1: Penamaan Turunan Benzena

Berikan nama IUPAC untuk senyawa dengan struktur berikut:

(dengan asumsi substituen pada posisi 1,2,4)

Pembahasan:

1. Rantai utama: benzena

2. Substituen: -NO₂ (nitro), -Cl (kloro), -CH₃ (metil)

3. Penomoran: beri nomor terendah untuk substituen

4. Urutan abjad: kloro (chloro) → metil (methyl) → nitro (nitro)

5. Dengan posisi 1,2,4: 1-kloro-2-metil-4-nitrobenzena

Atau nama trivial: p-nitro-o-klorotoluena (karena ada gugus metil)

Soal 2: Pengaruh Substituen

Urutkan reaktivitas senyawa berikut dalam reaksi nitrasi dari yang PALING REAKTIF: a) Benzena, b) Nitrobenzena, c) Toluena, d) Anilin

Pembahasan:

Reaktivitas dalam nitrasi (SEAr) bergantung pada sifat substituen:

1. Anilin (-NH₂): Aktivator KUAT ortho-para → PALING REAKTIF
2. Toluena (-CH₃): Aktivator LEMAH ortho-para → Reaktif
3. Benzena (tanpa substituen): Reaktivitas standar
4. Nitrobenzena (-NO₂): Deaktivator KUAT meta → PALING TIDAK REAKTIF

Urutan: Anilin > Toluena > Benzena > Nitrobenzena

Alasan: Gugus -NH₂ mendonorkan elektron ke cincin (+R), membuat cincin kaya elektron dan mudah diserang elektrofil. Sebaliknya, -NO₂ menarik elektron (-R), membuat cincin miskin elektron.

Soal 3: Reaksi Nitrasi

Tuliskan reaksi lengkap nitrasi toluena dengan HNO₃/H₂SO₄ dan prediksi produk utama yang terbentuk!

Pembahasan:

Reaksi:

C₆H₅CH₃ + HNO₃ → C₆H₄(CH₃)(NO₂) + H₂O

Produk utama: o-nitrotoluena dan p-nitrotoluena

Penjelasan:

1. Gugus -CH₃ pada toluena adalah aktivator ortho-para

2. Elektrofil NO₂⁺ akan menyerang posisi ortho (1,2) dan para (1,4) terhadap gugus metil

3. Produk utama adalah campuran:

• o-nitrotoluena (1-metil-2-nitrobenzena): ≈ 60%
• p-nitrotoluena (1-metil-4-nitrobenzena): ≈ 40%
• m-nitrotoluena: sangat sedikit (< 5%)

Struktur produk:

o-nitrotoluena

CH₃
|
C₆H₄
|
NO₂

(posisi 1,2)

p-nitrotoluena

CH₃
|
C₆H₄
\
 NO₂

(posisi 1,4)

Soal 4: Perbedaan Sifat Fenol dan Alkohol

Mengapa fenol (C₆H₅OH) bersifat asam (pKa ≈ 10) sedangkan etanol (C₂H₅OH) hampir netral (pKa ≈ 16)? Jelaskan berdasarkan struktur!

Pembahasan:

Perbedaan keasaman:

• Fenol: pKa ≈ 10 (asam lemah)
• Etanol: pKa ≈ 16 (sangat lemah, praktis netral)

Penjelasan berdasarkan struktur:

1. Stabilitas anion fenoksida vs etoksida:

• Fenol terionisasi: C₆H₅OH → C₆H₅O^- + H⁺
• Anion fenoksida (C₆H₅O^-) distabilkan oleh resonansi
• Pasangan elektron pada O^- dapat terdelokalisasi ke cincin aromatik

2. Struktur resonansi fenoksida:

C₆H₅O^- ↔ Struktur resonansi dengan muatan negatif pada posisi ortho dan para

3. Tidak ada resonansi pada etoksida:

• Etanol terionisasi: CH₃CH₂OH → CH₃CH₂O^- + H⁺
• Anion etoksida TIDAK distabilkan resonansi
• Muatan negatif terlokalisasi hanya pada atom oksigen

4. Kesimpulan: Fenol lebih asam karena anion fenoksida yang terbentuk lebih stabil akibat delokalisasi muatan negatif ke cincin aromatik melalui resonansi.

Fakta menarik: Meskipun fenol lebih asam dari alkohol alifatik, fenol masih jauh lebih lemah daripada asam karboksilat (pKa ≈ 5) karena resonansi pada fenoksida tidak sebaik resonansi pada karboksilat.

Ringkasan Materi Benzena dan Turunannya:
1. Struktur: Cincin aromatik dengan 6 elektron π, resonansi, energi resonansi 150 kJ/mol
2. Reaksi khas: Substitusi Elektrofilik Aromatik (nitrasi, sulfonasi, halogenasi, Friedel-Crafts)
3. Pengaruh substituen: Aktivator ortho-para vs deaktivator meta
4. Turunan penting: Toluena, Fenol, Anilin, Benzaldehida, Asam benzoat
5. Bahaya: Benzena karsinogenik, perlu penanganan khusus