substitutionsreaktioner

Substitutionsreaktioner är kemiska reaktioner där ett atom- eller funktionell grupp i en molecule byts ut mot en annan. De förekommer inom organisk kemi såväl som inom oorganisk/kärnkemi, och kan beskrivas med olika mekanismer beroende på vilka parter som deltar. Vanliga indelningar är nucleophilic substitution (SN) och electrophilic substitution (SE).

Nucleophilic substitution och dess undergrupper SN1 och SN2 är de mest studerade i organiska föreningar. SN1 är en tvåstegsreaktion där en lämnargrupp lämnar först och bildar en karbokatjon, varefter en nukleofil attackerar. Sn1 är vanligast för tertiära kolväten i polära protiska lösningar och hastigheten bestäms av substratet och lämningsgruppens förmåga. Produkten är ofta racemisk om det finns en kolcentral med stereoasymmetri. SN2 är en koncentrationsberoende process som sker i ett enda steg: nukleofilens attack samtidigt som lämningsgruppen lämnar, vilket genererar bakåtvänd stereokemi vid lämpliga föreningar. SN2 kräver mindre hindrande substituenter (methyl>primär> sekundär; tertiär är vanligtvis hindrad). Exempel inkluderar CH3Br + OH− → CH3OH + Br−. Faktorer som påverkar hastigheten är nukleofil styrka, lämningsgruppens förmåga, lösningens polaritet och polaritetens natur (protic vs aprotisk).

Electrophilic substitution är vanligt inom aromatiska föreningar, där en elektrofil ersätter ett väte i bensenringen. Mekanismen innefattar bildandet av ett areniumjonintermediär och återställning av aromatiskitet genom deprotonering. Typiska reaktioner är nitrering, sulfonering, halogenering och alkyl- eller acylering, ofta under närvaro av starka katalysatorer som Lewis-syror. Substituenter i ringen påverkar retningsriktning (ortho/para-dirigering kontra meta) beroende på deras elektroniska egenskaper.

Inom oorganisk kemi sker även ligandsubstitution i metallkomplex, där en ligand byts ut mot en annan, vilket påverkas av metallcentrumets oxidationstillstånd, ligander, och lösningsmedlets egenskaper. Substitutionsreaktioner står i kontrast till additions- och eliminationsreaktioner och är centrala för syntes, funktionalitet och katalys i kemiska system.