Μια αντίδραση υποκατάστασης είναι μια χημική αντίδραση κατά την οποία ένα συστατικό μιας οργανικής ένωσης, ένα μόριο άνθρακα και άλλα στοιχεία, αντικαθίσταται ή αντικαθίσταται από μια λειτουργική ομάδα από ένα δεύτερο αντιδραστήριο. Λειτουργικές ομάδες, αντιδραστικά υποσύνολα οργανικών ενώσεων, αντικαθιστούν το υδρογόνο ή άλλες λειτουργικές ομάδες μικρότερης δραστηριότητας. Μια αντίδραση υποκατάστασης μπορεί να προσθέσει λειτουργικότητα ή αντιδραστικότητα σε αλκάνια, υδρογονάνθρακες ευθείας αλυσίδας και άλλες ενώσεις.
Τα αλκάνια, οι απλούστεροι από τους υδρογονάνθρακες, αποτελούνται από ευθείες, ποικίλου μήκους αλυσίδες ομοιοπολικών δεσμών άνθρακα-άνθρακα που περιβάλλονται από άτομα υδρογόνου. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ των ατόμων άνθρακα μοιράζονται τα εξώτατα ηλεκτρόνια για να σχηματίσουν μια σταθερή διαμόρφωση. Οι οργανικοί χημικοί αντικαθιστούν λειτουργικές ομάδες σε επιθυμητά σημεία στη ραχοκοκαλιά του άνθρακα για να δημιουργήσουν νέα μόρια για χρήση ως τελικά προϊόντα ή πρόδρομες ουσίες σε σκευάσματα άλλων χρήσιμων ενώσεων.
Η αντίδραση υποκατάστασης ενός αλκανίου με ένα αλογόνο, που περιλαμβάνει χλώριο, φθόριο ή βρώμιο, παράγει αλογονωμένους υδρογονάνθρακες, που ονομάζονται επίσης αλκυλαλογονίδια. Τα αλκυλαλογονίδια μπορούν να συνεχίσουν να τροποποιούνται για να σχηματίσουν πολυ-υποκατεστημένες ενώσεις. Κοινά παραδείγματα περιλαμβάνουν χλωροφθοράνθρακες (CFC), οι οποίοι παλαιότερα χρησιμοποιούνταν ως ψυκτικά υγρά. Εάν η ομάδα που προστίθεται είναι μια ομάδα υδροξυλίου (-ΟΗ-) είτε από αντιδράσεις σε βασικά διαλύματα είτε από νερό, θα σχηματιστούν αλκοόλες ή αλοαλκοόλες.
Ο δεσμός άνθρακα-αλογόνου είναι ισχυρότερος από τον ομοιοπολικό δεσμό του δεσμού άνθρακα-άνθρακα. Το αλογονίδιο τραβά το ζεύγος ηλεκτρονίων προς το μέρος του, αφήνοντας τον άνθρακα στο κέντρο ελαφρώς θετικό. Η υποκατάσταση σε αυτό το σενάριο ονομάζεται πυρηνόφιλη υποκατάσταση, καθώς η πυρηνόφιλη, πυρηνόφιλη, αρνητικά φορτισμένη ομάδα υδροξειδίου ή πρόσθετο άτομο αλογονιδίου πλησιάζει το αλκυλαλογονίδιο από την αντίθετη πλευρά από το πρώτο άτομο αλογονιδίου. Το αρνητικό φορτίο στην ομάδα που πλησιάζει αποφεύγει το αρνητικό φορτίο στην υπάρχουσα ομάδα αλογονιδίων.
Ένας άνθρακας συνήθως συνδέεται με τέσσερα άλλα άτομα σε ένα τετράεδρο, ένα τριγωνικό σχήμα πυραμίδας. Μια δεξιά-αριστερόχειρα στο μόριο είναι δυνατή εάν αντικατασταθεί από δύο διαφορετικές ομάδες. Η προσέγγιση του δεύτερου πυρηνόφιλου από μία μόνο κατεύθυνση κάνει τα προϊόντα να έχουν την ίδια τρισδιάστατη διαμόρφωση. Το δεύτερο πυρηνόφιλο αναγκάζει το τετράεδρο να σκάσει μέσα προς τα έξω καθώς συνδέεται με τον κεντρικό άνθρακα, όπως μια ομπρέλα γυρίζει μέσα προς τα έξω στον άνεμο. Αυτή είναι μια αντίδραση υποκατάστασης SN2: υποκατάσταση από ένα πυρηνόφιλο σε μια διμοριακή αντίδραση.
Σε μια αντίδραση υποκατάστασης SN1, το αλογονίδιο παίρνει τον έλεγχο του ζεύγους ηλεκτρονίων για μια σύντομη στιγμή. Το τώρα πολύ θετικά φορτισμένο κεντρικό άτομο άνθρακα προσπαθεί να διαχωρίσει τους δεσμούς του όσο το δυνατόν περισσότερο, σχηματίζοντας ένα επίπεδο τριγωνικό σχήμα αντί για ένα τετράεδρο. Το δεύτερο πυρηνόφιλο μπορεί να πλησιάσει τον άνθρακα από κάθε πλευρά, σχηματίζοντας ένα μείγμα ρακεμικού προϊόντος, ίσες συγκεντρώσεις του δεξιού και του αριστερού είδους της ένωσης.
Οι αντιδράσεις SN1 και SN2 ανταγωνίζονται μεταξύ τους. Οι αντιδράσεις SN2 είναι πιο συχνές. Η ισχύς του πυρηνόφιλου, η ισχύς της ομάδας που μετατοπίζεται και η ικανότητα του διαλύτη να υποστηρίζει φορτισμένα είδη είναι μερικοί από τους παράγοντες που καθορίζουν τον μηχανισμό αντίδρασης. Οι συνθήκες αντίδρασης, ειδικά η θερμοκρασία, θα επηρεάσουν το αποτέλεσμα.