En substitutionsreaktion är en kemisk reaktion där en beståndsdel av en organisk förening, en molekyl av kol och andra element, ersätts eller ersätts med en funktionell grupp från en andra reaktant. Funktionella grupper, reaktiva undergrupper av organiska föreningar, ersätter väte eller andra funktionella grupper med mindre aktivitet. En substitutionsreaktion kan lägga till funktionalitet eller reaktivitet till alkaner, rakkedjiga kolväten och andra föreningar.
Alkaner, de enklaste av kolvätena, består av raka, varierande kedjor av kovalenta kol-kolbindningar omgivna av väteatomer. Kovalenta bindningar mellan kolatomer delar de yttersta elektronerna för att bilda en stabil konfiguration. Organiska kemister ersätter funktionella grupper på önskade punkter i kolets ryggrad för att bygga nya molekyler för användning som slutprodukter eller prekursorer till formuleringar av andra användbara föreningar.
Substitutionsreaktionen av en alkan med en halogen, inklusive klor, fluor eller brom, producerar halogenerade kolväten, även kallade alkylhalider. Alkylhalogenider kan fortsätta att modifieras för att bilda multisubstituerade föreningar. Vanliga exempel är klorfluorkolväten (CFC), som tidigare användes som köldmedievätskor. Om gruppen som tillsätts är en hydroxylgrupp (—OH-) från antingen reaktioner i basiska lösningar eller vatten, bildas alkoholer eller haloalkoholer.
Kol-halogenbindningen är starkare än den kovalenta bindningen av kol-kolbindningen. Haliden drar elektronparet mot sig själv och lämnar mittkolet något positivt. Substitution i detta scenario kallas nukleofil substitution, eftersom den nukleofila, kärnälskande, negativt laddade hydroxidgruppen eller ytterligare halogenidatom närmar sig alkylhalogeniden från motsatt sida från den första halogenidatomen. Den negativa laddningen på den närmande gruppen undviker den negativa laddningen på den existerande halogenidgruppen.
Ett kol binder normalt med fyra andra atomer i en tetraeder, en triangulär pyramidform. En höger-vänsterhänthet till molekylen är möjlig om den ersätts av två olika grupper. Den andra nukleofilens närmande från en enda riktning gör att produkterna har samma tredimensionella konfiguration. Den andra nukleofilen får tetraedern att hoppa ut och in när den binder till det centrala kolet, ungefär som ett paraply vänder ut och in i vinden. Detta är en SN2-substitutionsreaktion: substitution med en nukleofil i en bimolekylär reaktion.
I en SN1-substitutionsreaktion tar haliden kontroll över elektronparet för en kort stund. Den nu mycket positivt laddade centrala kolatomen försöker separera sina bindningar så mycket som möjligt och bildar en plan triangulär form istället för en tetraeder. Den andra nukleofilen kan närma sig kolet från båda sidor och bilda en racemisk produktblandning, lika koncentrationer av höger och vänster art av föreningen.
SN1- och SN2-reaktioner konkurrerar med varandra; SN2-reaktioner är vanligare. Styrkan hos nukleofilen, styrkan hos gruppen som förskjuts och lösningsmedlets förmåga att stödja laddade ämnen är några av de faktorer som bestämmer reaktionsmekanismen. Reaktionsförhållanden, speciellt temperatur, kommer att påverka resultatet.