La sostituzione nucleofila avviene con l’attacco di un nucleofilo a un atomo di carbonio a cui è legato un buon gruppo uscente formando un nuovo legame:
Nu– + R3C-X → R3C-Nu + X–
A seconda del substrato e delle condizioni di reazione le reazioni di sostituzione nucleofila possono avvenire tramite meccanismo SN1 o SN2.
L’acronimo SN1 indica Sostituzione Nucleofila e il numero 1 dà conto del fatto che lo stadio che determina la velocità della reazione è unimolecolare.
La velocità della reazione segue una legge cinetica del primo ordine del tipo v = k[R3C-X] ovvero ha una dipendenza del primo ordine rispetto al substrato e di ordine zero dal nucleofilo.
In una reazione che segue il meccanismo SN1 lo stadio che determina la velocità della reazione è l’allontanamento del gruppo uscente con rottura di un legame σ e la formazione di un carbocatione.
Quanto maggiore è la stabilità del carbocatione che si forma tanto più velocemente avviene la reazione.
Meccanismo
Nel primo stadio che costituisce lo stadio lento si forma quindi il carbocatione e nel secondo stadio che costituisce lo stadio veloce vi è il rapido attacco del nucleofilo al carbocatione con formazione di un legame σ.
Il profilo della reazione
mostra due stati di transizione e un intermedio di reazione.
Il primo stato di transizione, quello a energia più alta, corrisponde alla parziale rottura del legame tra il carbonio e il gruppo uscente: R3C—X.
L’intermedio di reazione è costituito dal carbocatione R3C+
Il secondo stato di transizione corrisponde alla formazione del nuovo legame tra il carbonio e il nucleofilo: R3C—Nu
Lo stadio lento è costituito dalla formazione del carbocatione ovvero dalla rottura del legame tra il carbonio e il gruppo uscente. Pertanto la reazione avverrà tanto più velocemente quanto più il gruppo uscente è in grado di allontanarsi dalla catena carboniosa.
Nel caso in cui il carbonio legato al gruppo uscente sia chirale una volta che si è formato il carbocatione che ha geometria planare, esso può essere attaccato dal nucleofilo da ambo i lati con uguale probabilità pertanto il prodotto di reazione sarà un racemo.
Come avviene per tutte le reazioni organiche il meccanismo SN1 compete con quello E1 pertanto possono essere ottenuti anche prodotti di eliminazione.
Inoltre se il carbocatione che si forma può andare incontro a riarrangiamenti si possono ottenere ulteriori prodotti.
La natura del solvente, il tipo di substrato e di gruppo uscente risultano quindi importanti nella previsione del meccanismo e, conseguentemente, del prodotto principale della reazione.