In una reazione di sostituzione nucleofila hanno luogo due processi: la rottura del legame preesistente e la formazione di un nuovo legame. Questo tipo di reazione può avvenire a due stadi o a uno stadio
1) Reazione a due stadi: 1) rottura del legame preesistente e 2) formazione di un nuovo legame
2) Reazione a uno stadio in cui formazione e rottura dei legami sono simultanee, ovvero concertate
Meccanismo delle reazione di sostituzione a due stadi
Nel meccanismo 1) il primo stadio, che determina la velocità, è la rottura del legame con il gruppo uscente, che lascia il carbonio come carbocatione:
R-X → R+ + X– (stadio lento)
Nu– + R+ → Nu–R (stadio veloce)
Questa in effetti è una reazione di ionizzazione ed è spesso effettuata riscaldando il composto in un solvente adatto. In un secondo stadio il carbocatione, ad alta energia, è attaccato da un nucleofilo per formare un nuovo legame. In molte reazioni di questo tipo il nucleofilo è in realtà una molecola di solvente (ad esempio H2O , ROH, RCOOH) nel qual caso la reazione di sostituzione è detta solvolisi.
La velocità di queste reazioni di ionizzazione dipende:
1) dalla stabilità degli ioni che si formano (ovvero il carbocatione e il gruppo uscente)
2) dal potere ionizzante del solvente che deve stabilizzare per solvatazione i frammenti ionici formati
In questo meccanismo la ionizzazione è lo stadio che comporta lo stato di transizione a maggiore energia e pertanto determina la velocità. La cattura del carbocatione ad alta energia da parte del nucleofilo è un processo rapido e di bassa attivazione.
Una conseguenza della ionizzazione preliminare è che solo la concentrazione del substrato che ionizza influenza la velocità della reazione quindi la velocità è indipendente dalla concentrazione del nucleofilo: si dice che tali reazioni avvengono tramite meccanismo SN1, sostituzione nucleofilica monomolecolare.
Se sono presenti due nucleofili essi competono per lo ione carbonio e il rapporto dei prodotti riflette sia le rispettive attività nucleofiliche che le loro concentrazioni.
Meccanismo a uno stadio
Nelle reazioni di sostituzione a uno stadio, invece, il nucleofilo si fa strada verso il carbonio che costituisce il centro di reazione e che reca il gruppo uscente e spingendo fuori quest’ultimo simultaneamente:
Nu– + R-X → [Nu···R···X]– → Nu-R + X–
Nello stato di transizione sono presenti sia il nucleofilo che il substrato e l’energia di attivazione dipende dalla reattività dell’uno e dell’altro. La velocità di reazione dipende pertanto dalle concentrazioni di ambedue i reagenti. Questo meccanismo a uno stadio, detto SN2, sostituzione nucleofilica bimolecolare, è un meccanismo concertato in cui il nucleofilo esercita la sua attività spostando il gruppo uscente e pertanto tali tipi di reazioni vengono anche dette di spostamento.