Alkana dan Sikloalkana

ALKANA DAN SIKLOALKANA

A.  ALKANA

1.      Pengertian dan Struktur Alkana

Alkana biasa disebut dengan senyawa hidrokarbon jenuh. Disebut hidrokarbon karena di dalamnya hanya terkandung atom karbon dan hidrogen. Disebut jenuh karena hanya memiliki ikatan tunggal C-H dan C-C saja. Alkana memiliki rumus umu C_nH_2n+2, di mana n adalah bilangan asli yang menyatakan jumlah atom karbon. Alkana juga sering disebut sebagai senyawa alifatik (Yunani = aleiphas yang berarti lemak). Hal ini dikarenakan lemak-lemak hewani mengandung karbon rantai panjang yang mirip dengan alkana . Alkana dengan satu formula dapat membentuk beberapa struktur molekul. Misalnya alkana dengan empat atom karbon dapat membentuk normal butana dan isobutana, keduanya sama-sama memiliki rumus molekul C₄H₁₀. Hal yang sama juga terjadi untuk C₅H₁₂, dan seterusnya. Suatu senyawa yang memiliki jumlah dan macam atom sama tetapi berbeda dalam penataannya disebut dengan isomer. Isomer berasal dari bahasa Yunani; isos + meros yang berarti terbuat dari bagian yang sama. Senyawa seperti butana dan isobutana hanya berbeda pada urutan atom yang terikat satu sama lainnya,disebut isomer konstitusional.

Isomer konstitusional tidak terbatas hanya untuk alkana, tetapi juga pada sebagian besar senyawa organik. Isomer konstitusional bisa berbeda pada susunan kerangka atom karbon (seperti pada butana dan isobutana), perbedaan gugus fungsi (seperti pada etanol dan dimetil eter), atau berbeda pada penempatan gugus fungsi (isopropilamina dan propilamina). Meskipun memiliki formula yang sama, sifat-sifat fisika kimia dari isomer biasanya berbeda. 

Alkana dapat digambarkan dengan menggunakan struktur terkondensasi. Semua ikatan dalam molekul diabaikan/ dihilangkan. Jika ada tiga atom hidrogen terikat pada satu karbon, digambar dengan CH₃, jika dua hidrogen digambar dengan  CH₂, dan seterusnya. Dengan demikian kita dapat menggambar butana dengan struktur CH₃CH₂CH₂CH₃  atau CH₃(CH₂)₂CH₃. 

Alkana diberi nama berdasarkan jumlah atom karbonnya. Penamaan diambil dari bahasa Yunani, kecuali untuk satu hingga empat atom karbon, yaitu metana, etana, propana, dan butana. Akhiran ana ditambahkan pada akhir tiap nama untuk memberikan ciri bahwa senyawa tersebut adalah alkana. Selanjutnya, pentana berarti terdiri dari lima atom karbon, heksana terdiri dari enam karbon, dan seterusnya.

Deret Homolog Alkana adalah suatu golongan / kelompok senyawa karbon dengan rumus umum yang sama, mempunyai sifat yang mirip dan antar suku-suku berturutannya mempunyai beda CH₂ .

Sifat-sifat deret homolog :

o Mempunyai sifat kimia yang mirip

o Mempunyai rumus umum yang sama

o Perbedaan Mr antara 2 suku berturutannya sebesar 14

o Makin panjang rantai karbon, makin tinggi titik didihnya

Adapun Struktur Alkana sebagai berikut :

Rumus (CnH2n+2)	Nama	Struktur
CH 4	Metana	CH4
C 2 H 6	Etana	CH3- CH3
C 3 H 8	Propana	CH3- CH2-CH3
C 4 H 10	Butana	CH3- CH2-CH2-CH3
C 5 H 12	Pentana	CH3- CH2-CH2-CH2-CH3
C 6 H 14	Heksana	CH3- CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
C 7 H 16	Heptana	CH3- CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
C 8 H 18	Oktana	CH3- CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
C 9 H 20	Nonana	CH3- CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
C 10 H 22	Dekana	CH3- CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

2.      Tata Nama Alkana

                      

Tahap satu: Temukan rantai utama hidrokarbon

a.      Rantai utama adalah rantai hidrokarbon terpanjang yang ada dalam molekul.

b.       Jika ada dua rantai yang sama panjang, pilih salah satu yang memiliki substituen lebih banyak

Tahap dua: Nomori atom-atom dalam rantai utama

a.         Mulailah dari ujung rantai yang paling dekat dengan rantai samping untuk memberi nonor urut pada rantai utama.

b.      Jika ada rantai samping dengan urutan yang sama dari kedua ujung, pilih salah satu ujung  yang memiliki rantai samping kedua yang lebih dekat.

Tahap tiga: Identifikasi tiap substituen

a.         Beri nama rantai samping berdasarkan nomor urut dalam rantai utama

b.    Jika ada dua substituen terikat pada satu karbon, keduanya diberi nomor yang sama.

Tahap empat: Tulis nama sebagai kata tunggal

3.      Sifat-sifat Alkana

a.       merupakan senyawa nonpolar, sehingga tidak larut dalam air

b.      makin banyak atom C (rantainya makin panjang), maka titik didih makin tinggi

c.       pada tekanan dan suhu biasa, CH ₄ - C ₄ H ₁₀ berwujud gas, C ₅ H ₁₂ - C ₁₇ H ₃₆ berwujud cair, diatas C ₁₈ H ₃₈ berwujud padat

d.      mudah mengalami reaksi subtitusi dengan atom-atom halogen (F ₂, Cl ₂, Br ₂ atau I ₂ )

e.       dapat mengalami oksidasi (reaksi pembakaran)

B.  SIKLOALKANA

1.    Pengertian SikloAlkana dan Struktur

Selain alkana dengan rantai terbuka, di alam juga terdapat alkana dalam bentuk cincin. Senyawa tersebut dinamakan sikloalkana atau senyawa alisiklik (alifatik siklik). Apabila cincin sikloalkana adalah –CH2- maka senyawa tersebut memiliki rumus umum (CH2)n atau CnH2n. 

Beberapa contoh sikloalkana

Senyawa-senyawa alosiklik dengan cincin berbeda terdapatberlebihan di alam. Contohnya, prostaglandin, hormon yangmengatur secara luas bermacam fungsi fisiologis manusia termasuk agregasi platelet darah, dilatasi bronkus, dan penghambatan sekresigastrin, memiliki cincin karbon lima anggota (siklopenatana).

Gambar prostaglandin

Steroid, seperti kortison, mengandung cincin-cincin yang terikat  satu sama lain, tiga cincin dengan enam anggota (sikloheksana) dan satu cincin lima anggota (siklopentana).

Struktur Kortison

2.    Penamaan sikloalkana

a.       Temukan rantai utama

Hitung jumlah atom karbon penyusun cincin dan jumlah karbon  dalam substituennya. Jika jumlah karbon dalam cincin sama dengan jumlah karbon dalam substrituen, maka senyawa tersebut diberi nama sebagai sikloalkana tersubstitusi alkil. Akan tetapi jika jumlah karbon dalam substituen lebih banyak dari pada karbon dalam cincin maka senyawa tersebut diberi nama sebagai alkana tersubstitusi sikloalkil.

Contoh penamaan sikloalkana

b.      Jumlah substituen dan beri nama

Sikloalkana tersubstitusi alkil atau halogen, mulailah penomoran  dari atom karbon yang mengikat substituen tersebut. Untuk substituen kedua dan seterusnya diberi nomor sekecil mungkin.

Contoh penamaan beberapa sikloalkana tersubstitusi

C.      Gugus Alkil

Jika satu atom hidrogen dibebaskan dari sutau alkana maka  diperoleh struktur yang disebut alkil. Perlu dicatat bahwa gugus alkil tidak stabil jika berdiri sendiri, alkil merupakan bagian dari molekul yang besar. Gugus alkil diberi nama sesuai dengan rantai alkananya  dengan mengganti akhiran –ana menjadi –il. Contohnya alkil dari metana adalah metil, sedangkan etana yang kehilangan satu hidrogen disebut etil. Kombinasi antara alkil dengan gugus fungsi yang lain akan menghasilkan ribuan senyawa. Contohnya:

Gambar. Metana dan Metil

Gugus alkil dapat diperoleh dengan membebaskan hidrogen dari karbon terminal (ujung rantai) atau dari atom karbon internal (ditengah rantai). Ada empat macam atom karbon berdasarkan jumlahsubstituen karbon lain. Atom karbon yang mengikat satu karbon lain disebut karbon primer. Atom karbon yang mengikat dua atom karbon lain disebut karbon sekunder. Untuk karbon yang mengikat tiga karbon lain disebut karbon tersier, sedangkan jika mengikat empat karbon lain disebut karbon kuarterner. Jika atom hidrogen pada karbon-karbon tersebut dihilangkan maka ada tiga kemungkinan gugus alkil yang terbentuk, yaitu alkil primer, sekunder, dan tersier. Alkil kuarterner tidak mungkin terbentuk, karena karbon kuarterner sudah tidak mengikat hidrogen lagi.

Gambar. Beberapa contoh alkana dengan gugus alkil yang dapat dibentuknya

D.      Reaksi-Reaksi Alkana

Seperti yang diektahui bahwa ikatan pada alkana berciri tunggal, kovalen dan nonpolar. Oleh karenanya alkana relatif stabil (tidak reaktif) terhadap kebanyakan asam, basa, pengoksidasi atau pereduksi yang dapat dengan mudah bereaksi dengan kelompok hidrokarbon lainnya. Karena sifatnya yang tidak reaktif tersebut, maka alkana dapat digunakan sebagai pelarut.

Walaupun alkana tergolong sebagai senyawaan yang stabil, namun pada kondisi dan pereaksi tertentu alkana dapat bereaksi dengan asam sulfat dan asam nitrat, sekalipun dalam temperatur kamar. Hal tersebut dimungkinkan karena senyawa kerosin dan gasoline mengandung banyak rantai cabang dan memiliki atom karbon tersier yang menjadi activator berlangsungnya reaksi tersebut. Berikut ini ditunjukkan beberapa reaksi alkana :

1. Oksidasi

Alkana sukar dioksidasi oleh oksidator lemah atau agak kuat seperti KMNO₄, tetapi mudah dioksidasi oleh oksigen dari udara bila dibakar. Oksidasi yang cepat dengan oksingen yang akan mengeluarkan panas dan cahaya disebut pembakaran atau combustion. Hasil oksidasi sempurna dari alkana adalah gas karbon dioksida dan sejumlah air. Sebelum terbentuknya produk akhir oksidasi berupa CO₂ dan H₂ O, terlebih dahulu terbentuk alkohol, aldehid dan karboksilat.

Alkana terbakar dalam keadaan oksigen berlebihan dan reaksi ini menghasilkan sejumlah kalor (eksoterm)

CH₄ + 2O₂ → CO­₂ + 2H₂ + 212,8 kkal/mol

C₄H₁₀ + 2O₂ → CO­₂ + H₂O + 688,0 kkal/mol

Reaksi pembakaran ini merupakan dasar penggunaan hidrokarbon sebagai penghasil kalor (gas alam dan minyak pemanas) dan tenaga (bensin), jika oksigen tidak mencukupi untuk berlangsungnya reaksi yang sempurna, maka pembakaran tidak sempurna terjadi. Dalam hal ini, karbon pada hidrokarbon teroksidasi hanya sampai pada tingkat karbon monoksida atau bahkan hanya sampai karbon saja.

2CH₄ + 3O₂ → 2CO­ + 4H₂O

CH₄ + O₂ → C + 2H₂O

Penumpukan karbon monoksida pada knalpot dan karbon pada piston mesin kendaraan bermotor adalah contoh dampak dari pembakaran yang tidak sempurna. Reaksi pembakaran tak sempurna kadang-kadang dilakukan, misalnya dalam pembuatan carbon black, misalnya jelaga untuk pewarna pada tinta.

2. Halogenasi

Reaksi dari alkana dengan unsur-unsur halogen disebut reaksi halogenasi. Reaksi ini akan menghasilkan senyawa alkil halida, dimana atom hidrogen dari alkana akan disubstitusi oleh halogen sehingga reaksi ini bisa disebut reaksi substitusi. Halogenasi biasanya menggunakan klor dan brom sehingga disebut juga klorinasi dan brominasi. Halongen lain, fluor bereaksi secara eksplosif dengan senyawa organik sedangkan iodium tak cukup reaktif untuk dapat bereaksi dengan alkana.

Laju pergantian atom H sebagai berikut H₃ > H₂ > H₁. Kereaktifan halogen dalam mensubtitusi H yakni fluorin > klorin > brom > iodin.

Reaksi antara alkana dengan fluorin menimbulkan ledakan (eksplosif) bahkan pada suhu dingin dan ruang gelap.

CH₄ + 2F₂    →   C + 4HF

Jika campuran alkana dan gas klor disimpan pada suhu rendah dalam keadaan gelap, reaksi tidak berlangsung. Jika campuran tersebut dalam kondisi suhu tinggi atau di bawah sinar UV, maka akan terjadi reaksi yang eksoterm. Reaksi kimia dengan bantuan cahaya disebut reaksi fitokimia.

Dalam reaksi klorinasi, satu atau lebih bahkan semua atom hidrogen diganti oleh atom halogen. Contoh reaksi halogen dan klorinasi secara umum digambarkan sebagai berikut:

Reaksi umum              R-H  +  Cl-Cl    →   R-Cl   +   H-Cl

Contoh                                    CH₄  +  Cl-Cl    →  CH₃Cl  +  HCl

Untuk menjelaskan keadaan ini, kita harus membicarakan mekanisme reaksinya. Gambaran yang rinci bagaimana ikatan dipecah dan dibuat menjadi reaktan dan berubah menjadi hasil reaksi.

Langkah pertama dalam halogenasi adalah terbelahnya molekul halogen menjadi dua partikel netral yang dinamakan radikal bebas atau radikal. Suatu radikal adalah sebuah atom atau kumpulan atom yang mengandung satu atau lebih elektron yang tidak mempunyai pasangan. Radikal klor adalah atom yang klor yang netral, berarti atom klor yang tidak mempunyai muatan positif atau negatif.

Pembelahan dari molekul Cl₂ atau Br₂ menjadi radikal memerlukan energi sebesar 58 Kcal/mol untuk Cl₂ dan 46 kcal/mol untuk Br₂. Energi yang didapat dari cahaya atau panas ini, diserap oleh halongen dan akan merupakan reaksi permulaan yang disebut langkah permulaan.

Tahap kedua langkah penggadaan dimana radikal klor bertumbukan dengan molekul metan, radikal ini akan memindahkan atom atom hidrongen (H ) kemudian menghasilkan H-Cl dan sebuah radikal baru, radikal metil ( CH₃).

Langkah I dari siklus penggadaan

Radikal bebas metil sebaliknya dapat bertumbukan dengan molekul (Cl₂) untuk membedakan atom khlor dalam langkah penggandaan lainnya.

Langkah 2 dari siklus penggadaan

Langka ketiga Reaksi Penggabungan Akhir. Reaksi rantai radikal bebas berjalan terus sampai semua reaktan terpakai atau sampai radikalnya dimusnahkan. Reaksi dimana radikal dimusnahkan disebut langkah akhir. Langkah akhir akan memutuskan rantai dengan jalan mengambil sebuah radikal setelah rantai putus. Siklus penggandaan akan berhenti dan tak berbentuk lagi reaksi.

Suatu cara untuk memusnahkan radikal adalah dengan menggabungkan dua buah radikal untuk membentuk non radikal yang stabil dengan reaksi yang disebut reaksi penggabungan (coupling reaction). Reaksi penggabungan dapat terjadi bila dua buah radikal bertumbukan

Radikal lainnya juga dapat bergabung untuk mengakhiri rangkaian reaksi tersebut. Misalnya CH₃ dapat bergabung dengan Cl menghasilkan CH₃Cl. Suatu masalah dengan radikal bebas adalah terbentuknya hasil campuran. Contohnya ketika reaksi khlorinasi metana berlangsung, konsentrasi dari metana akan berkurang sedangkan klorometan bertambah. Sehingga ada kemungkinan besar bahwa radikal klor akan bertumbukkan dengan molekul klormetan, bukannya dengan molekul metan.

Jika halogen berlebihan, reaksi berlanjut dan memberikan hasil-hasil yang mengandung banyak halogen berupa diklorometana, trikloroetana dan tetraklorometana

Keadaan reaksi dan perbandingan antara klor dan metana dapat diatur untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Pada alkana rantai panjang, hasil reaksinya menjadi semakin rumit karena campuran dari hasil reaksi berupa isomer-isomer semakin banyak. Misalnya pada klorinasi propana

Bila alkana lebih tinggi dihalogenasi, campuran hasil reaksi menjadi rumit, pemurnian atau pemisahan dari isomer-isomer sulit dilakukan. Dengan demikian halogenasi tidak bermanfaat lagi dalam sintesis alkil halida. Akan tetapi pada sikloalkana tak bersubtitusi dimana semua atom hidrogennya setara, hasil murni dapat diperoleh. Karena sifatnya yang berulang terus reaksi semacam ini disebut reaksi rantai radikal bebas.

3. Sulfonasi Alkana

Sulfonasi merupakan reaksi antara suatu senyawa dengan asam sulfat. Reaksi antara alkana dengan asam sulfat berasap (oleum) menghasilkan asam alkana sulfonat. dalam reaksi terjadi pergantian satu atom H oleh gugus –SO₃H. Laju reaksi sulfonasi H₃ > H₂ > H₁.

Contoh

4. Nitrasi

Reaksi nitrasi analog dengan sulfonasi, berjalan dengan mudah jika terdapat karbon tertier, jika alkananya rantai lurus reaksinya sangat lambat.

5. Pirolisis (Cracking)

Proses pirolisis atau cracking adalah proses pemecahan alkana dengan jalan pemanasan pada temperatur tinggi, sekitar 1000⁰ C tanpa oksigen, akan dihasilkan alkana dengan rantai karbon lebih pendek

Proses pirolisis dari metana secara industri dipergunakan dalam pembuatan karbon-black. Proses pirolisa juga dipergunakan untuk memperbaiki struktur bahan bakar minyak, yaitu, berfungsi untuk menaikkan bilangan oktannya dan mendapatkan senyawa alkena yang dipergunakan sebagai pembuatan plastik. Cracking biasanya dilakukan pada tekanan tinggi dengan penambahan suatu katalis (tanah liat aluminium silikat).