Eine Substitutionsreaktion ist eine chemische Reaktion, bei der ein Bestandteil einer organischen Verbindung, ein Kohlenstoffmolekül und andere Elemente, durch eine funktionelle Gruppe eines zweiten Reaktionspartners ersetzt oder ersetzt wird. Funktionelle Gruppen, reaktive Untergruppen organischer Verbindungen, ersetzen Wasserstoff oder andere funktionelle Gruppen mit geringerer Aktivität. Eine Substitutionsreaktion kann Alkanen, geradkettigen Kohlenwasserstoffen und anderen Verbindungen Funktionalität oder Reaktivität verleihen.
Alkane, die einfachsten Kohlenwasserstoffe, bestehen aus geraden Ketten unterschiedlicher Länge kovalenter Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, die von Wasserstoffatomen umgeben sind. Kovalente Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen teilen sich die äußersten Elektronen, um eine stabile Konfiguration zu bilden. Organische Chemiker ersetzen funktionelle Gruppen an gewünschten Stellen im Kohlenstoffgerüst, um neue Moleküle zur Verwendung als Endprodukte oder Vorläufer für Formulierungen anderer nützlicher Verbindungen aufzubauen.
Die Substitutionsreaktion eines Alkans mit einem Halogen, einschließlich Chlor, Fluor oder Brom, erzeugt halogenierte Kohlenwasserstoffe, auch Alkylhalogenide genannt. Alkylhalogenide können weiterhin zu mehrfach substituierten Verbindungen modifiziert werden. Gängige Beispiele sind Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die früher als Kältemittel verwendet wurden. Wenn die hinzugefügte Gruppe eine Hydroxylgruppe (-OH-) aus entweder Reaktionen in basischen Lösungen oder Wasser ist, bilden sich Alkohole oder Halogenalkohole.
Die Kohlenstoff-Halogen-Bindung ist stärker als die kovalente Bindung der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung. Das Halogenid zieht das Elektronenpaar zu sich selbst und lässt den mittleren Kohlenstoff leicht positiv. Die Substitution wird in diesem Szenario als nukleophile Substitution bezeichnet, da sich die nukleophile, kernliebende, negativ geladene Hydroxidgruppe oder das zusätzliche Halogenidatom dem Alkylhalogenid von der gegenüberliegenden Seite des ersten Halogenidatoms nähert. Die negative Ladung der sich nähernden Gruppe vermeidet die negative Ladung der vorhandenen Halogenidgruppe.
Ein Kohlenstoff verbindet sich normalerweise mit vier anderen Atomen in einem Tetraeder, einer dreieckigen Pyramidenform. Eine Rechts-Linkshändigkeit zum Molekül ist möglich, wenn sie durch zwei verschiedene Gruppen substituiert wird. Die Annäherung des zweiten Nucleophils aus einer einzigen Richtung bewirkt, dass die Produkte die gleiche dreidimensionale Konfiguration haben. Das zweite Nukleophil bewirkt, dass das Tetraeder von innen nach außen springt, während es sich mit dem zentralen Kohlenstoff verbindet, ähnlich wie ein Regenschirm sich im Wind umstülpt. Dies ist eine SN2-Substitutionsreaktion: Substitution durch ein Nukleophil in einer bimolekularen Reaktion.
Bei einer SN1-Substitutionsreaktion übernimmt das Halogenid für einen kurzen Moment die Kontrolle über das Elektronenpaar. Das nun stark positiv geladene zentrale Kohlenstoffatom versucht seine Bindungen so weit wie möglich zu trennen und bildet statt eines Tetraeders eine ebene Dreiecksform. Das zweite Nukleophil kann sich dem Kohlenstoff von beiden Seiten nähern und ein racemisches Produktgemisch bilden, mit gleichen Konzentrationen der rechten und linken Spezies der Verbindung.
SN1- und SN2-Reaktionen konkurrieren miteinander; SN2-Reaktionen sind häufiger. Die Stärke des Nucleophils, die Stärke der verdrängten Gruppe und die Fähigkeit des Lösungsmittels, geladene Spezies zu tragen, sind einige der Faktoren, die den Reaktionsmechanismus bestimmen. Die Reaktionsbedingungen, insbesondere die Temperatur, beeinflussen das Ergebnis.