Une réaction de substitution est une réaction chimique dans laquelle un constituant d’un composé organique, une molécule de carbone et d’autres éléments, est remplacé ou substitué par un groupe fonctionnel d’un second réactif. Les groupes fonctionnels, sous-ensembles réactifs de composés organiques, remplacent l’hydrogène ou d’autres groupes fonctionnels de moindre activité. Une réaction de substitution peut ajouter une fonctionnalité ou une réactivité aux alcanes, aux hydrocarbures à chaîne droite et à d’autres composés.
Les alcanes, les plus simples des hydrocarbures, sont constitués de chaînes droites de longueur variable de liaisons covalentes carbone-carbone entourées d’atomes d’hydrogène. Les liaisons covalentes entre les atomes de carbone partagent les électrons les plus externes pour former une configuration stable. Les chimistes organiques substituent des groupes fonctionnels aux points souhaités du squelette carboné pour construire de nouvelles molécules à utiliser comme produits finaux ou précurseurs de formulations d’autres composés utiles.
La réaction de substitution d’un alcane avec un halogène, y compris le chlore, le fluor ou le brome, produit des hydrocarbures halogénés, également appelés halogénures d’alkyle. Les halogénures d’alkyle peuvent continuer à être modifiés pour former des composés multisubstitués. Les exemples courants incluent les chlorofluorocarbures (CFC), qui étaient autrefois utilisés comme fluides réfrigérants. Si le groupe ajouté est un groupe hydroxyle (-OH-) provenant de réactions dans des solutions basiques ou dans l’eau, des alcools ou des alcools halogénés se formeront.
La liaison carbone-halogène est plus forte que la liaison covalente de la liaison carbone-carbone. L’halogénure tire la paire d’électrons vers elle-même, laissant le carbone central légèrement positif. La substitution dans ce scénario est appelée substitution nucléophile, car le groupe hydroxyde nucléophile, aimant le noyau et chargé négativement ou l’atome d’halogénure supplémentaire s’approche de l’halogénure d’alkyle du côté opposé au premier atome d’halogénure. La charge négative sur le groupe approchant évite la charge négative sur le groupe halogénure existant.
Un carbone se lie normalement avec quatre autres atomes dans un tétraèdre, une forme de pyramide triangulaire. Un droitier gaucher à la molécule est possible si substitué par deux groupes différents. L’approche du deuxième nucléophile à partir d’une seule direction fait que les produits ont la même configuration tridimensionnelle. Le deuxième nucléophile fait éclater le tétraèdre lorsqu’il se lie au carbone central, un peu comme un parapluie se retourne dans le vent. Il s’agit d’une réaction de substitution SN2 : substitution par un nucléophile dans une réaction bimoléculaire.
Dans une réaction de substitution SN1, l’halogénure prend le contrôle de la paire d’électrons pendant un bref instant. L’atome de carbone central maintenant fortement chargé positivement essaie de séparer ses liaisons autant que possible, formant une forme triangulaire plane au lieu d’un tétraèdre. Le second nucléophile peut s’approcher du carbone de chaque côté, formant un mélange de produits racémiques, des concentrations égales des espèces droite et gauche du composé.
Les réactions SN1 et SN2 se font concurrence ; Les réactions SN2 sont plus fréquentes. La force du nucléophile, la force du groupe qui est déplacé et la capacité du solvant à supporter des espèces chargées sont quelques-uns des facteurs qui déterminent le mécanisme de réaction. Les conditions de réaction, en particulier la température, affecteront le résultat.