Reacción por sustitución nucleofilica
Una reacción de sustitución es aquella donde un atomo o grupo en un compuesto es sustituido por otro atomo o grupo. Son procesos químicos donde las sustancias intervinientes, sufren cambios en su estructura, para dar origen a otras sustancias.
una sustitución nucleófila es un tipo de reacción de sustitución en la que un nucleófilo, 'rico en electrones', reemplaza en una posición electrófila, 'pobre en electrones', de una molécula a un atomo o grupo, denominados grupo saliente.
Es un tipo de reacción fundamental en química organica, donde la reacción se produce sobre un carbono electrófilo. Aunque reacciones de sustitución nucleófila también pueden tener lugar sobre compuestos inorganicos covalentes.
Si ignoramos las cargas formales, en química organica la reacción general de sustitución nucleófila consiste en:

Nu: + R-L → R-Nu + L:
El nucléofilo Nu, mediante su par de electrones (:), reemplaza en el sustrato R-L, donde R es el electrófilo, al grupo saliente L, el cual se lleva consigo un par de electrones. El nucléofilo puede ser una especie neutra o un anión, mientras el sustrato puede ser neutro o tener carga positiva (catión).
Un ejemplo de sustitución nucleófila es la hidrólisis de un bromuro de alquilo, R-Br, bajo condiciones alcalinas, donde el nucleófilo es el OH− y el grupo saliente es el Br−.
R-Br + OH− → R-OH + Br−
Lasreacciones de sustitución nucleófila son frecuentes en química organica, y pueden ser categorizadas de forma general según tengan lugar sobre un carbono saturado o sobre un carbono aromatico o insaturado.

Las sustituciones nucleofilicas son de dos tipos: reacción SN2 y reacción SN1 (aunque se suele mencionar un tercer tipo como una sustitución nucleofilica interna. SN1).



La reacción SN1
Características generales
Los impedimentos estéricos hacen que los sustratos terciarios sean practicamente inertes frente al mecanismo SN2.  Sin embargo, se observa que estos sustratos reaccionan a velocidad importante con agua, siguiendo una cinética de primer orden.
Esta observación experimental implica proponer un nuevo mecanismo, llamado SN1, que transcurre con sustratos terciarios y malos nucleófilos, hechos imposibles de explicar mediante el mecanismo SN2.

 
Esta reacción no es compatible con un mecanismo SN2, puesto que el sustrato es terciario, el nucleófilo malo y la velocidad sólo depende del sustrato.
En los próximos apartados veremos un nuevo mecanismo compatible con estos hechos experimentales.
Mecanismo
La SN1 tiene un mecanismo por etapas.  En el primer paso se ioniza el sustrato por pérdida del grupo saliente, sin que el nucleófilo actúe, formandose un carbocatión.  En el segundo paso el nucleófilo ataca al carbocatión formado, obteniéndose el producto final.

 Etapa 1. Disociación del sustrato, para formar el carbocatión.  Es el paso lento de la reacción.



Etapa 2. Ataque del nucleófilo al carbocatión formado.



Etapa 3. Desprotonación del agua para formar el alcohol



La etapa lenta del mecanismo es la formación del carbocatión, dependiendo la velocidad exclusivamente del sustrato.

v = k[(CH3)3CBr]


La sustitución nucleofilica bimolecular SN2

Características generales:
En las reacciones de sustitución nucleófila se cambia un grupo, llamado grupo saliente, por otro, llamado nucleófilo. 



[1] Sustrato - Especie que contiene el grupo saliente
[2] Nucleófilo - Base de Lewis capaz de atacar a atomos con polaridad (o carga) positiva
[3] Producto de la reacción
[4] Grupo saliente -  Especie que abandona el sustrato, siendo sustituida por el nucleófilo 
Las reacciones de sustitución nucleófila permiten obtener numerosos compuestos organicos a partir de haluros de alquino.  Veamos algunos ejemplos:

a) La reacción de bromo etano con hidróxido de sodio produce etanol.



b) La reacción del cloruro de isopropilo con cianuro de sodio produce un nitrilo



c)  La reacción de yodo metano con metóxido de sodio produce un éter (dimetil éter)



d) Se pueden obtener aminas por reacción de amoniaco con halo alcanos



En estos ejemplos se representa el grupo saliente en rojo y el nucleófilo en azul.Mecanismo
La SN2 (sustitución nucleófila biomolecular) es una reacción concertada, es decir, transcurre en una única etapa.
 

 
El mecanismo consiste en el ataque del nucleófilo al carbono que contiene el grupo saliente.  Este carbono presenta una polaridad positiva importante, debida a la electronegatividad del halógeno.  Al mismo tiempo que ataca el nucleófilo se produce la ruptura del enlace carbono-halógeno, obteniéndose el producto final.
 
 
El estado de transición de la SN2 tiene la siguiente forma:
 

 
La velocidad de una reacción elemental es proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos.  A la constante de proporcionalidad se le denomina constante cinética.
Así, la velocidad de la SN2 depende de la concentración del sustrato (CH3I) y del nucleófilo (OH-).  Es por ello una reacción biomolecular.
 
v=k[CH3I][OH-]
Grupo saliente
El grupo saliente tiene la misión de abandonar el sustrato al mismo tiempo que ataca el nucleófilo.  Los mejores grupos salientes son las especies menos basicas, puesto que se enlazan débilmente al carbono.  En la tabla periódica los mejores grupos salientes se encuentran a la derecha y abajo. 

 
El yoduro es mejor grupo saliente que el cloruro por estar mas abajo en la tabla periódica.  Los buenos grupos salientes aumentan la velocidad de la sustituciónnucleófila.
Existen grupos salientes que actúan a través del oxígeno, atomo mucho mas basico que los halógenos, aprovechando la resonancia, que disminuye considerablemente la basicidad del grupo. Un ejemplo de este tipo es el ión tosilato.


Carbocation

Un carbocatión es un atomo de carbono cargado positivamente. El atomo de carbono cargado en un carbocatión es un 'sexteto', esto es, tiene sólo seis electrones en su capa de valencia, en vez de los ocho electrones de valencia que aseguran la estabilidad maxima de la regla del octeto. De ahí que los carbocationes sean frecuentemente muy reactivos, pues buscan completar el octeto de electrones de valencia, así como volver a conseguir una carga eléctrica neutra. Se podría asumir que un carbocatión tiene hibridación sp3 con un orbital sp3 dando la carga positiva. Sin embargo, la geometría y reactividad del carbocatión es mas consecuente con una hibridación sp2.
Los carbocationes se clasifican en primarios, secundarios, o terciarios, dependiendo del número de atomos de carbono unidos al carbono ionizado. Los carbocationes primarios tienen cero o un atomo de carbono unido al carbono ionizado, los carbocationes secundarios tienen dos atomos de carbono unidos al carbono ionizado, y los carbocationes terciarios tienen tres atomos de carbono unidos al carbono ionizado.
La estabilidad de los carbocationes se incrementa con el número degrupos alquilo unidos al atomo de carbono que lleva la carga. Los carbocationes terciarios son mas estables (y se forman mas rapidamente) que los carbocationes secundarios; los carbocationes primarios son altamente inestable porque, mientras los carbocationes de orden mayor estan estabilizados por hiper conjugación y por impedimento estérico, los carbocationes primarios no lo estan. En consecuencia, reacciones como la reacción SN1 y la reacción de eliminación E1 normalmente no ocurren si involucrasen a un carbocatión primario. Una excepción a esto ocurre cuando hay un enlace doble carbono-carbono en la posición 2 respecto al atomo de carbono ionizado. Tales cationes, como el catión alilo CH2=CH-CH2+ y el catión bencilo C6H5-CH2+ son mas estables que los otros carbocationes. Las moléculas que pueden formar carbocationes alilo o bencilo son altamente reactivas.

Reacciones nucleofilas de reacción de eliminación

Son aquellos en los cuales se separan dos grupos de una molécula, sin que sean reemplazados por otros grupos que se forma un enlace pi.
En la mayoría de estas reacciones la perdida tiene lugar en carbonos adyacentes, por lo que se le conoce como eliminación 1,2, o eliminación p.
Se ha comprobado que la eliminación puede transcurrir por un mecanismo mono y bimolecular denominado: E1 y E2.
Estos procesos estan relacionados con los mecanismos de sustancias SN1 y SN2.