Una reazione di sostituzione è una reazione chimica in cui un costituente di un composto organico, una molecola di carbonio e altri elementi, viene sostituito o sostituito da un gruppo funzionale di un secondo reagente. Gruppi funzionali, sottoinsiemi reattivi di composti organici, sostituiscono l’idrogeno o altri gruppi funzionali di minore attività. Una reazione di sostituzione può aggiungere funzionalità o reattività ad alcani, idrocarburi a catena lineare e altri composti.
Gli alcani, i più semplici degli idrocarburi, sono costituiti da catene diritte di lunghezza variabile di legami covalenti carbonio-carbonio circondati da atomi di idrogeno. I legami covalenti tra gli atomi di carbonio condividono gli elettroni più esterni per formare una configurazione stabile. I chimici organici sostituiscono i gruppi funzionali nei punti desiderati della struttura di carbonio per costruire nuove molecole da utilizzare come prodotti finali o precursori di formulazioni di altri composti utili.
La reazione di sostituzione di un alcano con un alogeno, inclusi cloro, fluoro o bromo, produce idrocarburi alogenati, chiamati anche alogenuri alchilici. Gli alogenuri alchilici possono continuare a essere modificati per formare composti multi-sostituiti. Esempi comuni includono i clorofluorocarburi (CFC), che erano precedentemente utilizzati come fluidi refrigeranti. Se il gruppo che viene aggiunto è un gruppo ossidrile (—OH-) da entrambe le reazioni in soluzioni basiche o acqua, si formeranno alcoli o aloalcoli.
Il legame carbonio-alogeno è più forte del legame covalente del legame carbonio-carbonio. L’alogenuro attira verso di sé la coppia di elettroni, lasciando il carbonio centrale leggermente positivo. La sostituzione in questo scenario è chiamata sostituzione nucleofila, poiché il gruppo idrossido nucleofilo, amante del nucleo, caricato negativamente o un atomo di alogenuro aggiuntivo si avvicina all’alogenuro alchilico dal lato opposto rispetto al primo atomo di alogenuro. La carica negativa sul gruppo in avvicinamento evita la carica negativa sul gruppo alogenuro esistente.
Un carbonio normalmente si lega con altri quattro atomi in un tetraedro, a forma di piramide triangolare. È possibile una destrezza della molecola se sostituita da due gruppi diversi. L’avvicinamento del secondo nucleofilo da un’unica direzione fa sì che i prodotti abbiano la stessa configurazione tridimensionale. Il secondo nucleofilo fa sì che il tetraedro si rovesci mentre si lega al carbonio centrale, proprio come un ombrello che si rovescia nel vento. Questa è una reazione di sostituzione SN2: sostituzione da parte di un nucleofilo in una reazione bimolecolare.
In una reazione di sostituzione SN1, l’alogenuro prende il controllo della coppia di elettroni per un breve momento. L’atomo di carbonio centrale ora altamente caricato positivamente cerca di separare i suoi legami il più possibile, formando una forma triangolare planare invece di un tetraedro. Il secondo nucleofilo può avvicinarsi al carbonio da entrambi i lati, formando una miscela di prodotti racemi, concentrazioni uguali delle specie destra e sinistra del composto.
Le reazioni SN1 e SN2 competono tra loro; Le reazioni SN2 sono più comuni. La forza del nucleofilo, la forza del gruppo spostato e la capacità del solvente di supportare specie cariche sono alcuni dei fattori che determinano il meccanismo di reazione. Le condizioni di reazione, in particolare la temperatura, influenzeranno il risultato.