Substituutio (kemia)

Substituutio on kemiallinen reaktio, jossa atomi tai atomiryhmä korvautuu toisella atomilla tai atomiryhmällä. Reaktiossa syntyy myös sivutuote. Ensimmäisiä tutkittuja substituutioreaktioita olivat alkaanien halogenoinnit. Substituutioreaktiota esiintyy alkaaneilla, sykloalkaaneilla ja aromaattisilla hiilivedyillä. Esimerkiksi etaanin vetyatomi korvautuu klooriatomilla radikaalisubstituutiossa:

CH₃CH₃ + Cl₂ $\rightarrow$ CH₃CH₂Cl + HCl.

Radikaalisubstituution lisäksi orgaanisessa kemiassa tunnetaan nukleofiiliset ja elektrofiiliset substituutiot.

Nukleofiilinen substituutio

Nukleofiilisessa substituutioreaktiossa nukleofiili hyökkää positiivisesti varautuneeseen atomiin (elektrofiiliin) syrjäyttäen samalla siihen sitoutuneen funktionaalisen ryhmän.

Nukleofiilisen substituution tärkeimmät reaktiomekanismit ovat S_N1 ja S_N2. Näillä mekanismeilla reagoivat usein esimerkiksi alkyylihalidit. Alkyylihalidien reaktioissa halogeeni (X) toimii lähtevänä ryhmänä ja se voidaan korvata lähes millä tahansa nukleofiilisella ryhmällä. Jos nukleofiili on neutraali (Nu:), silloin tuote on positiivisesti varautunut. Vastaavasti jos taas nukleofiili (Nu:^- ) on negatiivisesti varautunut, tuote on neutraali.

Nu: + R-X → R-Nu+ + X:^-

Nu:^- + R-X → R-Nu + X:^-

Nukleofiilisella substituutiolla voidaan valmistaa lukuisia reaktiotuotteita, mm. nitriilejä, amiineja, eettereitä, estereitä, alkoholeja ja sulfideja.

CN- + R-X → R-CN + X:^-

NH₃ + R-X → R-NH₃⁺ X:^-

R'O^- + R-X → R-OR' + X:^-

R'COO^- + R-X → R-OOCR' + X:^-

OH^- + R-X → R-OH + X:^-

SH^- + R-X → R-SH + X:^-

Karboksyylihappojen johdokset reagoivat nukleofiilien kanssa, jolloin kysymyksessä on nukleofiilinen asyylisubstituutio.

Aromaattiset substituutioreaktiot

Elektrofiilinen aromaattinen substituutio on yleinen aromaattisilla yhdisteillä. Aromaattisessa elektrofiilisessa substituutioreaktiossa elektrofiili, korvaa yhden aromaattisen renkaan vetyatomeista. Reaktion välituotteena syntyy delokalisoitunut karbokationi, josta irtoaa protoni ja C-H sidoksen elektronipari siirtyy aromaattiseen renkaaseen, jolloin lopputuotteessa aromaattinen rakenne säilyy.

Elektrofiilisen aromaattisen substituution lisäksi aromaattiset yhdisteet voivat reagoida myös nukleofiilisella aromaattisella substituutiolla, joka tapahtuu additio-eliminaatioreaktiolla. Näin tapahtuakseen korvautuva ryhmä on tyypillisesti halogeeniatomi ja aromaattisessa renkaassa on korvautuvaan ryhmään nähden para-asemassa elektroneja voimakkaasti puoleensa vetävä ryhmä kuten nitroryhmä. Elektroneja puoleensa vetävä ryhmä stabiloi välituotteen positiivista varausta.

Katso myös

• Additioreaktio
• Eliminaatioreaktio

Lähteet

• Mooli Ke3 Reaktiot ja energia, Otava

Orgaanisen kemian reaktiotyyppejä

• additioreaktio
• eliminaatioreaktio
• substituutioreaktio
• kondensaatioreaktio
• hydrolyysi
• hapettuminen
• pelkistyminen
• protolyysi
• neutraloituminen