Substituutioreaktio on kemiallinen reaktio, jossa orgaanisen yhdisteen yksi ainesosa, hiilimolekyyli ja muut alkuaineet korvataan tai korvataan toisella reagenssilla olevalla funktionaalisella ryhmällä. Funktionaaliset ryhmät, orgaanisten yhdisteiden reaktiiviset osajoukot korvaavat vedyn tai muut vähemmän aktiiviset funktionaaliset ryhmät. Korvausreaktio voi lisätä toiminnallisuutta tai reaktiivisuutta alkaaneihin, suoraketjuisiin hiilivetyihin ja muihin yhdisteisiin.
Alkaanit, yksinkertaisin hiilivedyistä, koostuvat suorista, eripituisista hiili-hiili-kovalenttisten sidosten ketjuista, joita ympäröivät vetyatomit. Kovalenttiset sidokset hiiliatomien välillä jakavat uloimmat elektronit muodostaen vakaan kokoonpanon. Orgaaniset kemistit korvaavat funktionaaliset ryhmät halutussa kohdissa hiilirunkoa rakentaakseen uusia molekyylejä käytettäväksi lopputuotteina tai muiden hyödyllisten yhdisteiden formulaatioiden esiasteina.
Alkaanin korvausreaktio halogeenin, mukaan lukien kloori, fluori tai bromi, kanssa tuottaa halogenoituja hiilivetyjä, joita kutsutaan myös alkyylihalogenideiksi. Alkyylihalogenideja voidaan edelleen muokata monisubstituoitujen yhdisteiden muodostamiseksi. Yleisiä esimerkkejä ovat kloorifluorihiilivedyt (CFC), joita aiemmin käytettiin kylmäaineina. Jos lisättävä ryhmä on hydroksyyliryhmä (—OH-) joko emäksisten liuosten tai veden reaktioista, muodostuu alkoholeja tai haloalkoholeja.
Hiili-halogeeniside on vahvempi kuin hiili-hiilisidoksen kovalenttinen sidos. Halogenidi vetää elektroniparin itseään kohti, jolloin keskimmäinen hiili on hieman positiivinen. Substituutiota tässä skenaariossa kutsutaan nukleofiiliseksi substituutioksi, kun nukleofiili, ydin rakastava, negatiivisesti varautunut hydroksidiryhmä tai ylimääräinen halogenidiatomi lähestyy alkyylihalogenidia ensimmäisen halogenidiatomin vastakkaiselta puolelta. Lähestyvän ryhmän negatiivinen varaus välttää olemassa olevan halogenidiryhmän negatiivisen varauksen.
Hiili sitoutuu normaalisti neljän muun atomin kanssa tetraedriksi, kolmion muotoiseksi pyramidiksi. Oikea-vasenkätisyys molekyyliin on mahdollista, jos se korvataan kahdella eri ryhmällä. Toisen nukleofiilin lähestyminen yhdestä suunnasta saa tuotteilla saman kolmiulotteisen kokoonpanon. Toinen nukleofiili saa tetraedrin ponnahtamaan ulospäin, kun se sitoutuu keskushiileen, aivan kuten sateenvarjo kääntyy nurinpäin tuulessa. Tämä on SN2 -substituutioreaktio: substituutio nukleofiilillä bimolekulaarisessa reaktiossa.
SN1 -substituutioreaktiossa halogenidi ottaa elektroniparin hallintaan lyhyeksi ajaksi. Nyt erittäin positiivisesti varautunut keskushiiliatomi yrittää erottaa sidoksensa mahdollisimman paljon muodostaen tasomaisen kolmion muodon tetraedrin sijaan. Toinen nukleofiili voi lähestyä hiiltä kummaltakin puolelta muodostaen raseemisen tuoteseoksen, yhtä suuret pitoisuudet yhdisteen oikeaa ja vasenkätistä lajia.
SN1- ja SN2 -reaktiot kilpailevat keskenään; SN2 -reaktiot ovat yleisempiä. Nukleofiilin vahvuus, syrjäytyneen ryhmän vahvuus ja liuottimen kyky tukea varautuneita lajeja ovat joitakin reaktiomekanismin määrääviä tekijöitä. Reaktio -olosuhteet, erityisesti lämpötila, vaikuttavat lopputulokseen.