Reaksi substitusi adalah reaksi kimia di mana salah satu konstituen senyawa organik, molekul karbon dan elemen lainnya, diganti atau diganti oleh gugus fungsi dari reaktan kedua. Gugus fungsi, himpunan bagian reaktif dari senyawa organik, menggantikan hidrogen atau gugus fungsi lain yang aktivitasnya lebih rendah. Reaksi substitusi dapat menambah fungsionalitas atau reaktivitas pada alkana, hidrokarbon rantai lurus, dan senyawa lainnya.
Alkana, hidrokarbon paling sederhana, terdiri dari rantai ikatan kovalen karbon-karbon lurus dengan panjang bervariasi yang dikelilingi oleh atom hidrogen. Ikatan kovalen antara atom karbon berbagi elektron terluar untuk membentuk konfigurasi yang stabil. Ahli kimia organik mengganti gugus fungsi pada titik yang diinginkan dalam tulang punggung karbon untuk membangun molekul baru untuk digunakan sebagai produk akhir atau prekursor untuk formulasi senyawa berguna lainnya.
Reaksi substitusi alkana dengan halogen, termasuk klor, fluor, atau bromin, menghasilkan hidrokarbon terhalogenasi, juga disebut alkil halida. Alkil halida dapat terus dimodifikasi untuk membentuk senyawa multi-substitusi. Contoh umum termasuk chlorofluorocarbons (CFC), yang sebelumnya digunakan sebagai cairan pendingin. Jika gugus yang ditambahkan adalah gugus hidroksil (—OH-) baik dari reaksi dalam larutan basa atau air, alkohol atau haloalkohol akan terbentuk.
Ikatan karbon-halogen lebih kuat daripada ikatan kovalen ikatan karbon-karbon. Halida menarik pasangan elektron ke arah dirinya sendiri, meninggalkan karbon pusat sedikit positif. Substitusi dalam skenario ini disebut substitusi nukleofilik, karena gugus hidroksida bermuatan negatif nukleofil, menyukai inti, atau atom halida tambahan mendekati alkil halida dari sisi berlawanan dari atom halida pertama. Muatan negatif pada gugus yang mendekat menghindari muatan negatif pada gugus halida yang ada.
Sebuah karbon biasanya berikatan dengan empat atom lain dalam tetrahedron, bentuk piramida segitiga. Sebuah tangan kanan-kiri untuk molekul adalah mungkin jika diganti oleh dua kelompok yang berbeda. Pendekatan nukleofil kedua dari satu arah menyebabkan produk memiliki konfigurasi tiga dimensi yang sama. Nukleofil kedua menyebabkan tetrahedron menyembul keluar saat berikatan dengan karbon pusat, seperti payung yang terbalik tertiup angin. Ini adalah reaksi substitusi SN2: substitusi oleh nukleofil dalam reaksi bimolekuler.
Dalam reaksi substitusi SN1, halida mengambil kendali pasangan elektron untuk sesaat. Atom karbon pusat yang sekarang bermuatan sangat positif mencoba untuk memisahkan ikatannya sebanyak mungkin, membentuk bentuk segitiga planar, bukan tetrahedron. Nukleofil kedua dapat mendekati karbon dari kedua sisi, membentuk campuran produk rasemat, konsentrasi yang sama dari spesies tangan kanan dan kiri senyawa.
Reaksi SN1 dan SN2 saling bersaing; Reaksi SN2 lebih umum. Kekuatan nukleofil, kekuatan gugus yang dipindahkan, dan kemampuan pelarut untuk mendukung spesies bermuatan adalah beberapa faktor yang menentukan mekanisme reaksi. Kondisi reaksi, terutama suhu, akan mempengaruhi hasil.