Halogen compounds · ⁨Senyawa halogen⁩

A-Level Chemistry · ⁨Kimia A-Level⁩ · Topic 15 · ⁨Topik 15⁩

View Slides · ⁨Lihat Salindia⁩ Train · ⁨Latih⁩

Video lesson for this topic · ⁨Pelajaran video untuk topik ini⁩ Open the video page · ⁨Buka halaman video⁩

15.1

Halogenoalkanes · ⁨Halogenoalkana⁩

Syllabus · ⁨Silabus⁩

English

recall the reactions (reagents and conditions) by which halogenoalkanes can be produced: (a) the free-radical substitution of alkanes by $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in the presence of ultraviolet light, as exemplified by the reactions of ethane (b) electrophilic addition of an alkene with a halogen, $\text{X}_2$, or hydrogen halide, $\text{HX(g)}$, at room temperature (c) substitution of an alcohol, e.g. by reaction with $\text{HX(g)}$; or with $\text{KCl}$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ or concentrated $\text{H}_3\text{PO}_4$; or with $\text{PCl}_3$ and heat; or with $\text{PCl}_5$; or with $\text{SOCl}_2$
classify halogenoalkanes into primary, secondary and tertiary
describe the following nucleophilic substitution reactions: (a) the reaction with $\text{NaOH(aq)}$ and heat to produce an alcohol (b) the reaction with $\text{KCN}$ in ethanol and heat to produce a nitrile (c) the reaction with $\text{NH}_3$ in ethanol heated under pressure to produce an amine (d) the reaction with aqueous silver nitrate in ethanol as a method of identifying the halogen present as exemplified by bromoethane
describe the elimination reaction with $\text{NaOH}$ in ethanol and heat to produce an alkene as exemplified by bromoethane
describe the $\text{S}_\text{N}1$ and $\text{S}_\text{N}2$ mechanisms of nucleophilic substitution in halogenoalkanes including the inductive effects of alkyl groups
recall that primary halogenoalkanes tend to react via the $\text{S}_\text{N}2$ mechanism; tertiary halogenoalkanes via the $\text{S}_\text{N}1$ mechanism; and secondary halogenoalkanes by a mixture of the two, depending on structure
describe and explain the different reactivities of halogenoalkanes (with particular reference to the relative strengths of the C–X bonds as exemplified by the reactions of halogenoalkanes with aqueous silver nitrates)

Bahasa Indonesia

ingat kembali reaksi (reagen dan kondisi) melalui mana halogenoalkana dapat diproduksi: (a) substitusi radikal bebas alkana oleh $\text{Cl}_2$ atau $\text{Br}_2$ dalam kehadiran cahaya ultraviolet, seperti yang ditunjukkan oleh reaksi etana (b) penambahan elektrofilik alkena dengan halogen, $\text{X}_2$, atau hidrogen halida, $\text{HX(g)}$ pada suhu ruang (c) substitusi alkohol, misalnya dengan reaksi terhadap $\text{HX(g)}$; atau dengan $\text{KCl}$ dan $\text{H}_2\text{SO}_4$ pekat atau $\text{H}_3\text{PO}_4$ pekat; atau dengan $\text{PCl}_3$ dan panas; atau dengan $\text{PCl}_5$; atau dengan $\text{SOCl}_2$
klasifikasikan halogenoalkana ke dalam primer, sekunder dan tertier
deskripsikan reaksi substitusi nukleofilik berikut: (a) reaksi dengan $\text{NaOH(aq)}$ dan panas untuk menghasilkan alkohol (b) reaksi dengan $\text{KCN}$ dalam etanol dan panas untuk menghasilkan nitril (c) reaksi dengan $\text{NH}_3$ dalam etanol dipanaskan di bawah tekanan untuk menghasilkan amina (d) reaksi dengan silver nitrat berair dalam etanol sebagai metode identifikasi halogen yang ada sebagai contoh bromoetana
deskripsikan reaksi eliminasi dengan $\text{NaOH}$ dalam etanol dan panas untuk menghasilkan alkena sebagai contoh bromoetana
deskripsikan mekanisme $\text{S}_\text{N}1$ dan $\text{S}_\text{N}2$ dari substitusi nukleofilik pada halogenoalkana termasuk efek induktif gugus alkil
ingat kembali bahwa halogenoalkana primer cenderung bereaksi melalui mekanisme $\text{S}_\text{N}2$; halogenoalkana tersier melalui mekanisme $\text{S}_\text{N}1$; dan halogenoalkana sekunder melalui campuran keduanya, tergantung struktur
deskripsikan dan jelaskan reaktivitas yang berbeda dari halogenoalkana (dengan merujuk khusus pada kekuatan relatif ikatan C–X seperti yang ditunjukkan oleh reaksi halogenoalkana dengan silver nitrat berair)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Sumber: Silabus Cambridge International⁩

English

A halogenoalkane 卤代烷 is an alkane with one or more halogen atoms in place of hydrogen (a C–X bond, where X is a halogen).

Making halogenoalkanes

free-radical substitution 自由基取代 of an alkane with $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in ultraviolet light.
electrophilic addition 亲电加成 of an alkene with a halogen $\text{X}_2$ or a hydrogen halide $\text{HX}$.
substitution of an alcohol 醇, for example by $\text{HX}$, by $\text{PCl}_5$, by $\text{PCl}_3$ with heat, or by $\text{SOCl}_2$.

Three classes

A halogenoalkane is primary 伯, secondary 仲 or tertiary 叔, depending on how many carbon atoms are joined to the carbon that holds the halogen (one, two or three).

Bahasa Indonesia

Halogenoalkana adalah alkana dengan satu atau lebih atom halogen menggantikan hidrogen (ikatan C–X, di mana X adalah halogen).

Kaleng semprot pendingin yang melepaskan uap halogenoalkana dingin — Halogenoalkana volatil pernah banyak digunakan sebagai refrigeran dan pendorong aerosol

Pembuatan halogenoalkana

substitusi radikal bebas alkana dengan $\text{Cl}_2$ atau $\text{Br}_2$ dalam cahaya ultraviolet.
adisi elektrofilik alkena dengan halogen $\text{X}_2$ atau hidrogen halida $\text{HX}$.
substitusi alkohol, misalnya dengan $\text{HX}$, dengan $\text{PCl}_5$, dengan $\text{PCl}_3$ dipanaskan, atau dengan $\text{SOCl}_2$.

Tiga kelas

Halogenoalkana dikategorikan sebagai primer, sekunder, atau tersier, tergantung berapa banyak atom karbon yang terikat pada karbon yang membawa halogen (satu, dua, atau tiga).

Tiga struktur dengan karbon pembawa bromin disorot: primer dengan satu karbon terikat, sekunder dengan dua, tersier dengan tiga — Halogenoalkana primer, sekunder, dan tersier, ditentukan oleh jumlah karbon yang terikat pada karbon yang membawa halogen

Vocabulary · ⁨Kosa kata⁩ Train · ⁨Latih⁩

English	Bahasa Indonesia
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/	halogenoalkana
free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/	substitusi radikal bebas
electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/	penambahan elektrofilik
alcohol/ˈælkəhɒl/	alkohol
primary/ˈpraɪməri/	primer
secondary/ˈsekəndəri/	sekunder
tertiary/ˈtɜːʃjəri/	tersier
nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/	substitusi nukleofilik
nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/	nukleofil
nitrile/ˈnaɪtraɪl/	nitril
amine/ˈæmaɪn/	amina
silver nitrate/ˈsɪlvə ˈnaɪtreɪt/	perak nitrat
precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/	endapan

15.1

Nucleophilic substitution · ⁨Substitusi nukleofilik⁩

English

The C–X bond is polar, so the carbon is slightly positive. A nucleophilic substitution 亲核取代 happens when a nucleophile 亲核试剂 (a lone-pair species) attacks that carbon and replaces the halogen.

Reagent and conditions	Product
$\text{NaOH(aq)}$, heat	an alcohol
$\text{KCN}$ in ethanol, heat	a nitrile 腈 (adds one carbon to the chain)
$\text{NH}_3$ in ethanol, heated under pressure	an amine 胺

To identify the halogen, warm the halogenoalkane with silver nitrate 硝酸银 in ethanol. A silver halide precipitate 沉淀 forms, and its colour shows which halogen is present (white $\text{AgCl}$, cream $\text{AgBr}$, yellow $\text{AgI}$).

Bahasa Indonesia

Ikatan C–X bersifat polar, sehingga karbon sedikit bermuatan positif. Terjadi substitusi nukleofilik ketika nukleofil (spesies pasangan elektron bebas) menyerang karbon tersebut dan menggantikan halogen.

Labu bulat berisi cairan mendidih dengan kondensor vertikal yang mengembalikan uap — Banyak reaksi halogenoalkana dilakukan dengan memanaskan campuran di bawah回流 (reflux)

Pereaksi dan kondisi	Produk
$\text{NaOH(aq)}$, panas	alkohol
$\text{KCN}$ dalam etanol, dipanaskan	nitril (menambah satu karbon ke rantai)
$\text{NH}_3$ dalam etanol, dipanaskan di bawah tekanan	amina

Evaporator putar: labu bulat berisi larutan yang berputar dalam bak air hangat, dengan uap pelarut mengembun ke dalam labu penerima terpisah — Evaporator putar menghilangkan pelarut di bawah tekanan reduksi — langkah setelah reaksi

Untuk mengidentifikasi halogen, hangatkan halogenoalkana dengan perak nitrat dalam etanol. Terbentuk endapan perak halida, dan warnanya menunjukkan jenis halogen yang ada (putih $\text{AgCl}$, krim $\text{AgBr}$, kuning $\text{AgI}$).

Explore · ⁨Jelajahi⁩

Nucleophilic substitution · ⁨Substitusi nukleofilik⁩

A nucleophile swaps in for the leaving group on a halogenoalkane. · ⁨Sebuah nukleofil menggantikan gugus pergi pada halogenoalkana.⁩

15.1

Elimination · ⁨Eliminasi⁩

English

The same halogenoalkane can instead undergo elimination 消去 to form an alkene 烯烃. The conditions decide which reaction wins:

$\text{NaOH}$ in water → nucleophilic substitution → an alcohol.
$\text{NaOH}$ in ethanol, heated → elimination → an alkene.

$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$

Bahasa Indonesia

Halogenoalkana yang sama dapat mengalami eliminasi untuk membentuk alkena. Kondisi menentukan reaksi mana yang dominan:

$\text{NaOH}$ dalam air → substitusi nukleofilik → alkohol.
$\text{NaOH}$ dalam etanol, dipanaskan → eliminasi → alkena.

$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$

Diagram percabangan: bromoetana dengan natrium hidroksida akuatik menghasilkan alkohol via substitusi, tetapi dengan natrium hidroksida dalam etanol menghasilkan alkena via eliminasi — Halogenoalkana yang sama: NaOH dalam air melakukan substitusi menjadi alkohol, sedangkan NaOH dalam etanol (dengan pemanasan) melakukan eliminasi menjadi alkena

Vocabulary · ⁨Kosa kata⁩ Train · ⁨Latih⁩

English	Bahasa Indonesia
elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/	eliminasi
alkene/ˈælkiːn/	alkena
transition state/trænˈsɪʃn steɪt/	keadaan transisi
carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/	karbokation
inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/	kesan induktif
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/	tenaga ikatan

15.1

The S$_\text{N}$1 and S$_\text{N}$2 mechanisms · ⁨Mekanisme S$_\text{N}$1 dan S$_\text{N}$2⁩

English

Nucleophilic substitution can follow two routes:

S$_\text{N}$2: one step. The nucleophile attacks at the same time as the halogen leaves, passing through a crowded transition state 过渡态 where both are half-bonded. The rate depends on both the halogenoalkane and the nucleophile.
S$_\text{N}$1: two steps. First the C–X bond breaks to give a carbocation 碳正离子; then the nucleophile attacks it. The rate depends only on the halogenoalkane.

Alkyl groups push electrons towards the positive carbon (the inductive effect 诱导效应), so they stabilise the carbocation. This is why:

primary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$2.
tertiary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$1 (their carbocation is well stabilised).
secondary halogenoalkanes use a mixture of the two.

Bahasa Indonesia

Substitusi nukleofilik dapat mengikuti dua jalur:

S$_\text{N}$2: satu langkah. Nukleofil menyerang saat halogen meninggalkan, melewati keadaan transisi yang padat di mana keduanya terikat separuh. Laju reaksi bergantung pada kedua halogenoalkana dan nukleofil.
S$_\text{N}$1: dua langkah. Pertama ikatan C–X putus membentuk karbokation; kemudian nukleofil menyerangnya. Laju reaksi hanya bergantung pada halogenoalkana.

S N 2 ditunjukkan sebagai satu langkah di mana nukleofil menyerang saat halogen meninggalkan melalui keadaan transisi; S N 1 ditunjukkan sebagai dua langkah melalui karbokation — S$_\text{N}$2 adalah satu langkah melalui keadaan transisi yang padat; S$_\text{N}$1 adalah dua langkah melalui karbokation

Gugus alkil mendorong elektron menuju karbon positif (efek induktif), sehingga menstabilkan karbokation. Inilah sebabnya:

Halogenoalkana primer sebagian besar bereaksi melalui S$_\text{N}$2.
Halogenoalkana tersier sebagian besar bereaksi melalui S$_\text{N}$1 (karbokasinya sangat stabil).
Halogenoalkana sekunder menggunakan campuran keduanya.

Explore · ⁨Jelajahi⁩

The SN2 mechanism, step by step · ⁨Mekanisme SN2, langkah demi langkah⁩

Step through nucleophilic substitution. The nucleophile attacks from behind as the halide leaves — all in one smooth step, flipping the molecule inside-out. · ⁨Lalui substitusi nukleofilik. Nukleofil menyerang dari belakang saat halogenida pergi — semuanya dalam satu langkah mulus, membalikkan molekul secara internal.⁩

15.1

Different reactivities · ⁨Reaktivitas berbeda⁩

English

How fast a halogenoalkane reacts depends on the strength of the C–X bond, measured by its bond energy 键能. The C–I bond is the weakest, so iodoalkanes react fastest; the C–Cl bond is the strongest of the three, so chloroalkanes react slowest. So when tested with silver nitrate, an iodoalkane gives its precipitate first — its higher reactivity 反应活性 comes from the weaker C–X bond.

Worked example. Predict the mechanism for the hydrolysis of 1-bromobutane and of 2-bromo-2-methylpropane. Classify the halogenoalkane first. 1-bromobutane is primary: the carbon carrying the $\text{Br}$ is barely shielded, so the nucleophile can attack the back of it and the mechanism is $\text{S}_\text{N}2$ - one step, with the rate depending on both the halogenoalkane and the nucleophile. 2-bromo-2-methylpropane is tertiary: three bulky methyl groups block that attack, but they also stabilise the carbocation formed once the $\text{Br}$ leaves, so it goes $\text{S}_\text{N}1$ - two steps, with the rate depending on the halogenoalkane only. Decide from the class (primary → $\text{S}_\text{N}2$, tertiary → $\text{S}_\text{N}1$), and note that the tertiary one hydrolyses faster despite being the more crowded.

Bahasa Indonesia

Kecepatan reaksi halogenoalkana bergantung pada kekuatan ikatan C–X, diukur dari energi ikatan-nya. Ikatan C–I adalah yang terlemah, sehingga iodoalkana bereaksi paling cepat; ikatan C–Cl adalah yang terkuat dari ketiga ikatan tersebut, sehingga kloroalkana bereaksi paling lambat. Oleh karena itu, saat diuji dengan perak nitrat, iodoalkana menghasilkan endapan pertama — reaktivitas-nya yang lebih tinggi berasal dari ikatan C–X yang lebih lemah.

Grafik batang energi ikatan C-X yang menurun dari C-F ke C-I, dengan panah yang menunjukkan bahwa ikatan yang lebih lemah bereaksi lebih cepat — Semakin lemah ikatan C–X, semakin cepat halogenoalkana bereaksi — sehingga iodoalkana bereaksi paling cepat dan kloroalkana paling lambat

Contoh terpecahkan. Prediksikan mekanisme untuk hidrolisis 1-bromobutana dan 2-bromo-2-metilpropana. Klasifikasikan halogenoalkananya terlebih dahulu. 1-bromobutana adalah primer: karbon yang mengikat $\text{Br}$ hampir tidak terlindungi, sehingga nukleofil dapat menyerang bagian belakangnya dan mekanismenya adalah $\text{S}_\text{N}2$ — satu langkah, dengan laju bergantung pada keduanya halogenoalkana dan nukleofil. 2-bromo-2-metilpropana adalah ** tersier**: tiga gugus metil yang besar memblokir serangan tersebut, tetapi juga menstabilkan karbokation yang terbentuk setelah $\text{Br}$ pergi, sehingga melalui $\text{S}_\text{N}1$ — dua langkah, dengan laju hanya bergantung pada halogenoalkana. Tentukan berdasarkan kelas (primer → $\text{S}_\text{N}2$, tersier → $\text{S}_\text{N}1$), dan perhatikan bahwa yang tersier terhidrolisis lebih cepat meskipun lebih banyak ruang.

Vocabulary · ⁨Kosa kata⁩ Train · ⁨Latih⁩

English	Bahasa Indonesia
reactivity/rɪəkˈtɪvɪti/	keaktivkan

15.1

Exam tips · ⁨Tips ujian⁩

English

Draw nucleophilic substitution with a curly arrow from the nucleophile's lone pair to the $\delta+$ carbon and one from the $\text{C-X}$ bond.
Match mechanism to class: $S_\text{N}1$ (tertiary, carbocation, two steps) vs $S_\text{N}2$ (primary, one step, transition state).
Reactivity is set by bond enthalpy: $\text{C-I}$ is weakest, so iodoalkanes react fastest (not electronegativity).
Elimination (hot, ethanolic KOH) vs substitution (warm, aqueous KOH) — the conditions decide the product; state them.

Bahasa Indonesia

Gambar substitusi nukleofilik dengan anak panah lengkung dari pasangan elektron bebas nukleofil ke karbon $\delta+$ dan satu lagi dari ikatan $\text{C-X}$.
Cocokkan mekanisme dengan kelas: $S_\text{N}1$ (tersier, karbokation, dua langkah) vs $S_\text{N}2$ (primer, satu langkah, keadaan transisi).
Reaktivitas ditentukan oleh entalpi ikatan: $\text{C-I}$ adalah yang terlemah, sehingga iodoalkana bereaksi paling cepat (bukan elektronegativitas).
Eliminasi (panas, KOH etanolik) vs substitusi (hangat, KOH akuatik) — kondisi menentukan produk; nyatakan kondisinya.

Interactive lessons on this topic · ⁨Pelajaran interaktif untuk topik ini⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Kerjakan langkah demi langkah, dengan latihan pengecekan instan.⁩

Past Papers · ⁨Soal-Soil Masa Lalu⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨Kimia A-Level⁩ · ⁨Topik lain dalam A-Level Chemistry · ⁨Kimia A-Level⁩⁩