Substitucijska reakcija je kemična reakcija, pri kateri se ena sestavina organske spojine, molekula ogljika in drugih elementov, nadomesti ali nadomesti s funkcionalno skupino iz drugega reaktanta. Funkcionalne skupine, reaktivne podskupine organskih spojin, nadomeščajo vodik ali druge funkcionalne skupine z manjšo aktivnostjo. Reakcija substitucije lahko doda funkcionalnost ali reaktivnost alkanom, ravnoverižnim ogljikovodikom in drugim spojinam.
Alkani, najpreprostejši od ogljikovodikov, so sestavljeni iz ravnih verig različnih dolžin kovalentnih vezi ogljik-ogljik, obdanih z atomi vodika. Kovalentne vezi med ogljikovimi atomi si delijo najbolj oddaljene elektrone, da tvorijo stabilno konfiguracijo. Organski kemiki zamenjajo funkcionalne skupine na želenih točkah v ogljikovi hrbtenici, da zgradijo nove molekule za uporabo kot končne produkte ali prekurzorje za formulacije drugih uporabnih spojin.
Pri substitucijski reakciji alkana s halogenom, vključno s klorom, fluorom ali bromom, nastanejo halogenirani ogljikovodiki, imenovani tudi alkil halogenidi. Alkil halogenidi se lahko še naprej modificirajo, da tvorijo večkrat substituirane spojine. Pogosti primeri vključujejo klorofluoroogljikovodike (CFC), ki so bili prej uporabljeni kot hladilne tekočine. Če je dodana skupina hidroksilna skupina (—OH-) iz reakcij v bazičnih raztopinah ali vodi, bodo nastali alkoholi ali haloalkoholi.
Vez ogljik-halogen je močnejša od kovalentne vezi vezi ogljik-ogljik. Halid potegne elektronski par proti sebi, tako da sredinski ogljik ostane rahlo pozitiven. Substitucija v tem scenariju se imenuje nukleofilna substitucija, saj se nukleofilna, jedro ljubeča, negativno nabita hidroksidna skupina ali dodatni atom halida približa alkil halidu z nasprotne strani od prvega atoma halida. Negativni naboj na bližajoči se skupini se izogne negativnemu naboju obstoječe halogenidne skupine.
Ogljik se običajno veže s štirimi drugimi atomi v tetraedru, trikotni piramidni obliki. Molekula je možna, če jo nadomestita z dvema različnima skupinama. Pristop drugega nukleofila iz ene smeri povzroči, da imajo produkti enako tridimenzionalno konfiguracijo. Drugi nukleofil povzroči, da tetraeder izskoči navzven, ko se veže z osrednjim ogljikom, podobno kot se dežnik obrne navzven v vetru. To je substitucijska reakcija SN2: substitucija z nukleofilom v bimolekularni reakciji.
V reakciji substitucije SN1 halogenid za kratek trenutek prevzame nadzor nad elektronskim parom. Zdaj zelo pozitivno nabit osrednji ogljikov atom poskuša čim bolj ločiti svoje vezi in namesto tetraedra tvori planarno trikotno obliko. Drugi nukleofil se lahko približa ogljiku z obeh strani in tvori racemno mešanico produktov, enake koncentracije desne in leve vrste spojine.
Reakcije SN1 in SN2 tekmujejo med seboj; Reakcije SN2 so pogostejše. Moč nukleofila, moč skupine, ki je premaknjena, in sposobnost topila, da podpira nabite vrste, so nekateri od dejavnikov, ki določajo reakcijski mehanizem. Reakcijski pogoji, zlasti temperatura, bodo vplivali na izid.