Kimia organik fisik

Kimia organik fisik, suatu istilah yang diperkenalkan oleh Louis Plack Hammett pada tahun 1940, merujuk pada disiplin kimia organik yang berfokus pada hubungan antara struktur dan reaktivitas kimia, khususnya, menerapkan alat eksperimental kimia fisik untuk studi molekul organik. Titik fokus studi yang spesifik meliputi laju reaksi organik, stabilitas kimia relatif dari bahan awal, zat antara reaktif, keadaan transisi, dan produk reaksi kimia, serta aspek solvasi non-kovalen dan interaksi molekul yang mempengaruhi reaktivitas kimia. Studi semacam itu memberikan kerangka teoretis dan praktis untuk memahami bagaimana perubahan struktur dalam konteks fasa larutan atau fasa padat mempengaruhi mekanisme reaksi dan laju reaksi untuk setiap reaksi organik yang menarik.
Ahli kimia organik fisik menggunakan pendekatan teoretis dan eksperimental untuk memahami masalah mendasar ini di kimia organik, termasuk kalkulasi kimia dan termodinamika klasik, kuantum dan kimia komputasi, serta eksperimen spektroskopi misalnya, NMR), spektrometri (misalnya, pendekatan MS), dan kristalografi. Oleh karena itu, bidang tersebut memiliki aplikasi ke berbagai bidang yang lebih khusus, termasuk elektro dan fotokimia, polimer dan kimia supramolekuler, enzimologi, dan biokimia, serta untuk perusahaan komersial yang melibatkan proses kimia, teknik kimia, ilmu material dan nanoteknologi serta penemuan obat.
Selain itu, banyak penerima Hadiah Nobel dalam Kimia telah berkarya pada bidang kimia anorganik fisik, termasuk penerima pada tahun 2013: Martin Karplus (untuk studi teoretis-praktis mengenai struktur protein berkat aplikasi Persamaan Karplus dalam NMR, Michael Levitt dan Arieh Warshel untuk pengembangan model multiskala untuk sistem kimia kompleks.

Termokimia

Ahli kimia organik menggunakan alat termodinamika untuk mempelajari ikatan, stabilitas kimia, dan energetika sistem kimia. Hal ini mencakup percobaan untuk mengukur atau menentukan entalpi (ΔH), entropi (ΔS), dan energi bebas Gibbs (ΔG) dari reaksi, transformasi, atau isomerisasi. Ahli kimia dapat menggunakan berbagai analisis kimia dan matematis, seperti plot Van 't Hoff, untuk menghitung nilai tersebut.
Konstanta empiris seperti energi disosiasi ikatan, panas pembentukan standar (ΔHf°), dan panas pembakaran (ΔHc°) digunakan untuk memprediksi stabilitas molekul dan perubahan entalpi selama reaksi. Untuk molekul kompleks, nilai ΔHf° mungkin tidak tersedia tetapi dapat diperkirakan dengan menggunakan fragmen molekuler dengan panas pembentukan. Jenis analisis ini sering disebut sebagai teori kenaikan gugus Benson, setelah ahli kimia Sidney Benson yang menghabiskan kariernya untuk mengembangkan konsep tersebut.
Termokimia dari zat antara reaktif—karbokation, karbanion, dan radikal—juga menarik bagi ahli kimia organik fisik. Data penambahan kelompok tersedia untuk sistem radikal. Stabilitas karbokation dan karbanion dapat ditentukan menggunakan afinitas ion hidrida dan nilai pKₐ, berturut-turut.

Analisis konformasi

Salah satu metode utama untuk mengevaluasi stabilitas kimia dan energetika adalah analisis konformasi. Ahli kimia organik menggunakan analisis konformasi untuk mengevaluasi berbagai jenis regangan yang terdapat dalam molekul untuk memprediksi produk reaksi. Regangan dapat ditemukan baik pada molekul asiklik dan siklik, yang memanifestasikan dirinya dalam sistem yang beragam seperti regangan torsional, regangan alilik, regangan cincin, dan regangan syn-pentana. Nilai A memberikan dasar kuantitatif untuk memprediksi konformasi kimia dari sikloheksana tersubstitusi, kelas penting dari senyawa organik siklik yang reaktivitasnya dipandu dengan kuat oleh efek konformasi. Nilai-A adalah perbedaan energi bebas Gibbs antara bentuk aksial dan ekuatorial dari sikloheksana tersubstitusi, dan dengan menambahkan nilai-A berbagai substituen maka memungkinkan untuk secara kuantitatif memprediksi konformasi yang disukai dari turunan sikloheksana.
Selain stabilitas molekuler, analisis konformasi digunakan untuk memprediksi produk reaksi. Satu contoh yang sering dikutip tentang penggunaan analisis konformasi adalah reaksi eliminasi bi-molekuler (E2). Reaksi ini berlangsung paling cepat saat nukleofil menyerang spesi yang antiperiplanar ke gugus yang meninggalkannya. Sebuah analisis orbital molekul dari fenomena ini menunjukkan bahwa konformasi ini memberikan tumpang tindih terbaik antara elektron dalam orbital pengikat R-H σ ikatan yang mengalami serangan nukleofilik dan orbital antiikatan σ* kosong dari ikatan R-X yang sedang dirusak. Dengan memanfaatkan efek ini, analisis konformasi dapat digunakan untuk merancang molekul yang memiliki reaktivitas yang meningkat.
Proses fisik yang menimbulkan hambatan rotasi ikatan alkana bersifat kompleks, dan hambatan ini telah dipelajari secara ekstensif melalui metode eksperimental dan teoretis. Sejumlah artikel baru-baru ini telah menyelidiki keunggulan kontribusi sterik, elektrostatik, dan hiperkonjugasi kepada hambatan rotasi pada etana, butana, dan molekul yang lebih tersubstitusi.

Interaksi non-kovalen

Ahli kimia menggunakan studi pengikatan nonkovalen molekul intramolekuler dan antarmolekul dalam molekul untuk mengevaluasi reaktivitas. Interaksi semacam itu meliputi, namun tidak terbatas pada, ikatan hidrogen, interaksi elektrostatik antara molekul bermuatan, interaksi dipol-dipol, polar-π dan kation-π, π-susun, donor-akseptor kimia, dan ikatan halogen. Selain itu, efek hidrofobik - asosiasi senyawa organik dalam air - adalah interaksi elektrostatik non-kovalen bagi ahli kimia. Keadaan fisik yang tepat dari efek hidrofobik berasal dari banyak interaksi kompleks, namun diyakini merupakan komponen terpenting dari pengenalan air secara biologi. Contohnya, Xu dan Melcher et al. mengelusidasi dasar struktural untuk pengenalan asam folat oleh protein reseptor asam folat. Interaksi yang kuat antara asam folat dan reseptor folat dikaitkan dengan ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobik. Studi tentang interaksi non-kovalen juga digunakan untuk mempelajari ikatan dan kooperativitas kimia dalam penyusunan supramolekul dan senyawa makrosiklik seperti eter mahkota, yang dapat bertindak sebagai tuan rumah bagi molekul tamu.

Kimia asam-basa

Sifat asam dan basa relevan dengan kimia organik fisik. Ahli kimia organik terutama berkaitan dengan asam/basa Brønsted-Lowry sebagai donor/akseptor proton dan asam/basa Lewis sebagai akseptor/donor elektron dalam reaksi organik. Ahli kimia menggunakan serangkaian faktor yang dikembangkan dari kimia fisik — elektronegativitas/induksi, kekuatan ikatan, resonansi, hibridisasi, aromatisitas, dan solvasi — untuk memprediksi keasaman dan kebasaan relatif.
Prinsip asam/basa keras/lembut digunakan untuk memprediksi interaksi molekuler dan arah reaksi. Secara umum, interaksi antara molekul dengan jenis yang sama lebih disukai. Artinya, asam keras akan berasosiasi dengan basa keras, dan asam lunak dengan basa lunak. Konsep asam dan basa keras sering dieksploitasi dalam sintesis anorganik kompleks koordinasi.

Kinetika

Ahli kimia organik menggunakan dasar matematika kinetika kimia untuk mempelajari laju reaksi dan mekanisme reaksi. Tidak seperti termodinamika, yang berkaitan dengan stabilitas relatif produk dan reaktan (ΔG°) dan konsentrasi kesetimbangannya, studi tentang kinetika berfokus pada energi bebas aktivasi (ΔG‡) -- Perbedaan energi bebas antara struktur reaktan dan struktur keadaan transisi—dari sebuah reaksi, dan oleh karena itu memungkinkan ahli kimia untuk mempelajari proses kesetimbangan. Rumusan yang diturunkan secara matematis seperti Postulat Hammond, Prinsip Curtin-Hammett, dan teori keterbalikan mikroskopis sering diterapkan pada kimia organik. Ahli kimia juga telah menggunakan prinsip kendali termodinamika versus kinetik untuk mempengaruhi produk reaksi.

Hukum laju

Studi kinetika kimia digunakan untuk menentukan hukum laju untuk sebuah reaksi. Hukum laju memberikan hubungan kuantitatif antara laju reaksi kimia dan konsentrasi atau tekanan dari spesi kimia yang ada. Hukum laju harus ditentukan dengan pengukuran eksperimental dan umumnya tidak dapat dijelaskan dari persamaan kimia. Hukum laju yang ditentukan secara eksperimental mengacu pada stoikiometri struktur keadaan transisi relatif terhadap struktur keadaan dasar. Penentuan hukum laju secara historis dilakukan dengan memantau konsentrasi reaktan selama reaksi melalui analisis gravimetri, namun sekarang hampir secara eksklusif dilakukan melalui teknik spektroskopi yang cepat dan tidak ambigu. Dalam kebanyakan kasus, penentuan persamaan laju disederhanakan dengan menambahkan kelebihan yang besar ("banjir") kecuali pada salah satu reaktan.

Katalisis

Studi tentang katalisis dan reaksi katalitik sangat penting bagi bidang kimia organik fisik. Sebuah katalis berpartisipasi dalam reaksi kimia tetapi tidak dikonsumsi dalam proses. Suatu katalis menurunkan penghalang energi aktivasi (ΔG‡), meningkatkan laju reaksi dengan menstabilkan struktur keadaan transisi atau mendestabilisasi reaksi kunci antara, dan karena hanya sejumlah kecil katalis yang dibutuhkan, ia dapat memberikan akses ekonomi jika tidak mahal atau sulit untuk mensintesis molekul organik. Katalis juga dapat mempengaruhi laju reaksi dengan mengubah mekanisme dari reaksi.

Efek isotop kinetik

Meskipun hukum laju menyediakan stoikiometri struktur keadaan transisi, hal tersebut tidak memberikan informasi apapun tentang pemutusan atau pembentukan ikatan. Substitusi isotop dekat posisi reaktif sering menyebabkan perubahan laju reaksi. Substitusi isotop mengubah energi potensial zat antara reaksi dan keadaan transisi karena isotop yang lebih berat membentuk ikatan yang lebih kuat dengan atom lainnya. Massa atom mempengaruhi titik nol keadaan vibrasi dari molekul terkait, ikatan yang lebih pendek dan lebih kuat dalam molekul dengan isotop lebih berat dan ikatan yang lebih lemah dan lebih lemah pada molekul dengan isotop cahaya. Karena gerakan vibrasi sering akan berubah selama jalannya reaksi, karena pembuatan dan pemutusan ikatan, maka frekuensi akan terpengaruh, dan substitusi isotop dapat memberikan wawasan ke dalam mekanisme reaksi dan hukum laju.

Efek pelarut

Pelarut dapat memiliki efek yang kuat terhadap kelarutan, stabilitas, dan laju reaksi. Perubahan pelarut juga memungkinkan ahli kimia untuk mempengaruhi kontrol termodinamika atau kinetik dari reaksi. Reaksi berlangsung pada tingkat yang berbeda dalam pelarut yang berbeda karena perubahan distribusi muatan selama transformasi kimia. Efek pelarut dapat beroperasi pada struktur keadaan dasar dan/atau keadaan transisi.
Contoh efek pelarut pada reaksi organik terlihat pada perbandingan reaksi SN1 dan SN2.
Pelarut juga dapat memiliki pengaruh yang signifikan terhadap kesetimbangan termodinamika suatu sistem, misalnya seperti pada tautomerisasi keto-enol. Dalam pelarut non-polar aprotik, bentuk enol sangat disukai karena pembentukan ikatan ikatan intramolekul, sedangkan pada pelarut polar aprotik, seperti metilena klorida, bentuk enol kurang disukai karena interaksi antara pelarut polar dan diketon yang polar. Dalam pelarut protik, kesetimbangan terletak pada bentuk keto karena ikatan intramolekul bersaing dengan ikatan hidrogen yang berasal dari pelarut.
Sebuah contoh modern dari studi efek pelarut pada kesetimbangan kimia dapat dilihat dalam sebuah studi dari epimerisasi dari siklopropilnitril kiral dari pereaksi Grignard. Studi ini melaporkan bahwa konstanta kesetimbangan untuk isomerisme dari cis ke trans dari pereaksi Grignard jauh lebih besar—preferensi untuk bentuk cis meningkat—dalam THF sebagai pelarut reaksi, lebih dari dietil eter. Namun, laju isomerisme cis-trans yang lebih cepat dalam THF mengakibatkan hilangnya kemurnian stereokimia. Hal ini adalah kasus di mana pemahaman efek pelarut pada stabilitas konfigurasi molekul pereaksi penting berkaitan dengan selektivitas yang diamati dalam sintesis asimetris.

Spektroskopi, spektrometri, dan kristalografi

Kimia organik fisik sering memerlukan identifikasi struktur molekul, dinamika, dan konsentrasi reaktan selama reaksi berlangsung. Interaksi molekul dengan cahaya mampu menghasilkan banyak data tentang sifat-sifat semacam itu melalui eksperimen spektroskopi yang tidak merusak diserap, saat energi foton sesuai dengan perbedaan energi antara dua keadaan dalam sebuah molekul dan dipancarkan ketika keadaan tereksitasi dalam molekul turun ke keadaan energi yang lebih rendah. Teknik spektroskopi secara luas diklasifikasikan menurut jenis eksitasi yang diperiksa, seperti spektroskopi vibrasi, rotasi, spektroskopi ultraviolet-tampak, resonansi magnetik nuklir (NMR), dan resonansi elektron paramagnetik. Selain data spektroskopi, penentuan struktur sering dibantu oleh data pelengkap yang dikumpulkan dari percobaan difraksi sinar-X dan eksperimen spektrometri massa.