O reacție de substituție este o reacție chimică în care un constituent al unui compus organic, o moleculă de carbon și alte elemente, este înlocuit sau substituit cu o grupare funcțională dintr-un al doilea reactant. Grupările funcționale, subseturile reactive de compuși organici, înlocuiesc hidrogenul sau alte grupări funcționale cu activitate mai mică. O reacție de substituție poate adăuga funcționalitate sau reactivitate alcanilor, hidrocarburilor cu catenă liniară și altor compuși.
Alcanii, cele mai simple dintre hidrocarburi, constau din lanțuri drepte, de lungimi variabile, de legături covalente carbon-carbon, înconjurate de atomi de hidrogen. Legăturile covalente dintre atomii de carbon împart electronii cei mai exteriori pentru a forma o configurație stabilă. Chimiștii organici înlocuiesc grupurile funcționale în punctele dorite din coloana vertebrală de carbon pentru a construi noi molecule pentru a fi utilizate ca produse finite sau precursori la formulările altor compuși utili.
Reacția de substituție a unui alcan cu un halogen, inclusiv clor, fluor sau brom, produce hidrocarburi halogenate, numite și halogenuri de alchil. Halogenurile de alchil pot continua să fie modificate pentru a forma compuși multisubstituiți. Exemplele comune includ clorofluorocarburile (CFC), care au fost utilizate anterior ca fluide frigorifice. Dacă gruparea care se adaugă este o grupare hidroxil (—OH-) fie din reacții în soluții bazice, fie în apă, se vor forma alcooli sau haloalcooli.
Legătura carbon-halogen este mai puternică decât legătura covalentă a legăturii carbon-carbon. Halogenura trage perechea de electroni spre sine, lăsând carbonul central ușor pozitiv. Substituția în acest scenariu se numește substituție nucleofilă, deoarece gruparea hidroxid nucleofilă, iubitoare de nucleu, încărcată negativ sau atomul de halogenură suplimentar se apropie de halogenura de alchil din partea opusă primului atom de halogenură. Sarcina negativă pe grupul care se apropie evită sarcina negativă pe grupul halogenură existent.
Un carbon se leagă în mod normal cu alți patru atomi într-un tetraedru, o formă de piramidă triunghiulară. Este posibilă o orientare către stânga la dreapta a moleculei dacă este înlocuită cu două grupuri diferite. Abordarea celui de-al doilea nucleofil dintr-o singură direcție face ca produsele să aibă aceeași configurație tridimensională. Cel de-al doilea nucleofil face ca tetraedrul să iasă pe dos în afară în timp ce se leagă de carbonul central, la fel cum o umbrelă se întoarce pe dos în afară în vânt. Aceasta este o reacție de substituție SN2: substituție cu un nucleofil într-o reacție bimoleculară.
Într-o reacție de substituție SN1, halogenura preia controlul perechii de electroni pentru un scurt moment. Acum, atomul de carbon central încărcat pozitiv încearcă să-și separe legăturile cât mai mult posibil, formând o formă triunghiulară plană în loc de un tetraedru. Cel de-al doilea nucleofil se poate apropia de carbon de ambele părți, formând un amestec de produse racemice, concentrații egale din speciile din dreapta și din stânga ale compusului.
Reacțiile SN1 și SN2 concurează între ele; Reacțiile SN2 sunt mai frecvente. Puterea nucleofilului, puterea grupului care este deplasat și capacitatea solventului de a susține specii încărcate sunt câțiva dintre factorii care determină mecanismul de reacție. Condițiile de reacție, în special temperatura, vor afecta rezultatul.