Pembuatan n-butil bromide berdasarkan penelitian menggunakan SN2 dengan mengkonversi 1-butanol untuk bromide 1-bromo butane. Reaksi substitusi merupakan suatu reaksi dimana satu atom ion atau gugus disubstitusikan untuk menggantikan ion, atom atau gugus lain.

HO  +  CH3CH –  Br  → CH3CH2 – OH + Br

Ion hidroksida     bromo etana        etanol

            Dalam reaksi substitusi alkil halide, halide itu disebut gugus pergi yang baik (leaving group). Suatu istilah yang berarti gugus apa saja yang dapat digeser dari ikatan-ikatannya dengan suatu atom karbon.

Spesiasi yang menyerang suatu alkil halide dalam suatu reaksi substitusi disebut nukleofil (nucleophile/ pencinta nucleus) sering dilambangkan dengan Nu. Dalam persamaan reaksi diatas , OH dan CH3O adalah nukleofil. Umumnya sebuah nukleofil adalah spesi apa saja yang tertarik ke suatu pusat positif. Jadi , sebuah nukleofil ialah suatu basa lewis. Kebanyakan nukleofil adalah anion, namun beberapa molkul polar yang netral, seperti H2O, CH3OH, dan CH3CH2 dapat juga bertindak sebagai nukleofil.

Molekul netral seperti ini memiliki pasangan electron menyendiri yang dapat digunakan untuk membentuk ikatan sigma. Substitusi oleh nukleofil disebut substitusi nukleofil atau pengganti nukleofil

Lawan dari nukleofil adalah elektrofil (pecinta electron) yang sering dilambangkan dengan ET. Suatu elektrofil adalah spesi apa saja yang tertarik ke puasat negative. Jadi , suatu elektrofil adalah suatu asam lewis seperti H+ atau ZnCl2. Suatu asam lewis ini merupakan hasil pengembangan teori lewis dari teori asam basa. Arrhenius pada waktu yang hampir bersamaan dengan Bronsted dan Lowry (1923). Teori lewis memiliki kelebihan disbanding teori bronsted lowry yaitu teori tersebut memungkinkan penggolongan asam basa digunakan dalam rekasi-reaksi dimana baik H+ maupun OH tidak ada. Dalam hal ini asam H+ adalah sebagai penerima pasangan electron .

Pada kimia organic maupun anorganik, substitusi nukleofil adalah suatu kelompok dasar reaksi substitusi, dimana sebuah nukleofil yang kaya electron, secara selektif berikatan dengan atau menyerang muatan positif dari sebuah gugus kimia atau atom yang disebut gugus lepas.

Bentuk reaksi umum ini adalah :

Nu : + R-X →  R-Nu + X

            Dengan Nu menandakan nukleofil, yang menandakan pasanganelektron, serta R-X menandakan substrat dengan gugus pergi ke X. Pada reaksi tersebut, pasangan electron dari nukleofil menyerang substrat membentuk ikatan baru. Sementara gugus  pergi melepaskan diri bersama dengan sepasang electron. Produk utamanya adalah R- Nu. Nukleofil dapat memiliki muatan listrik negative ataupun netral. Sedangkan substrat biasanya netral atau bermuatan positif. Contoh substitusi nukleofilik adalah hidrolisis alkil bromide (R – Br) pada kondisi basa, dimana nukleofilnya adalah OHdan gugus perginya adalah Br.

R – Br + OH →  R – OH + Br

Reaksi substitusi nukleofilik sangat dijumpai pada kimia organic dan reaksi-reaksi ini dapat dikelompokkan sebagai reaksi reaksi yang terjadi pada karbon alifatik atau pada karbon aromatic atau karbon tak jenuh lainnya.

Sintesis biasanya terdiri dari penggabungan kepingan kecil dan sederhana menjadi molekul besar yang kompleks. Untuk membuat sebuah molekul yang mengandung banyak atom dari molekul-molekul yang mengandung atom lebih sedikit, dapat diketahui bagaimana membuat dan memecahkan ikatan kimia. Walau sintesis urea dari Wohler suatu kebetulan, sintesis akan lebih efektif dan terkendali jika dilakukan dengan cara-cara yang rasional, sehingga semua atom yang tersusun akan berhubungan satu sama lainnya dengan benar dan menghasilkan produk yang dihasilkan.

Ikatan kimia dibuat dan dipecahkan melalui reaksi-reaksi kimia. Dengan demikian kita dapat mempelajari bagaimana menyambung molekul-molekul secara spesifik, suatu pengetahuan dalam sintesis.

Pada saat ini senyawa organic yang telah disintesis dalam laboratorium dan industry kimia jauh lebih banyak daripada yang diisolasi (dipisahkan) dari alam tetumbuhan dan hewan. Ada beberapa alas an mengapa penting sekali sintesis molekul. Pertama , dapat mensintesis produk alam dilaboratorium dengan mudahvdan dalam jumlah besar dengan harga yang lebih murah dibandingkan dengan pemisahan dari alam.

Alasan lain untuk sintesis adalah untuk menciptakan zat-zat baru yang mungkin memiliki sifat-sifat yang lebih berguna dibandingkan dengan  hasil-hasil alami. Serat sintetik seperti nilon dan orlon yang mempunyai sifat-sifat tertentu yang lebih berguna dan lebih baik dari serat alami seperti sutra, kapas dan sisal. Banyak senyawa dalam obat-obatan adalah sintetik (termasuk aspirin, eter, novocain, dan harbiturat).

Contoh dari reaksi substitusi nukleofilik yang terjadi pada gugus karbonil pada sebuah keton dan langsung melalui substitusi dengan senyawa hemiasetat yang tidak stabil. Pada kimia organic ataupun pada kimia anorganik, substitusi nukleofilik adalah suatu kelompok dasar reaksi substitusi.

Menurut kinetiknya reaksi nukleofilik dapat dikelompokkan menjadi reaksi SN1 dan reaksi SN2. Substitusi pada “ halogen alkana primer “ atau reaksi SN2. Nukleofilik adalah sebuah spesies (ion atau molekul) yang tertarik dengan kuat kesebuah daeraah yang bermuatan positif pada sesuatu yang lain.

Nukleofil dapat berupa ion-ion penuh atau memiliki muatan yang sangat negative pada suatu tempat dalam sebuah molekul. Nukleofil – nukleofil yang umum antara lain ion hidroksi, ion sianida, air dan amoniak. Perhatikan bahwa masing-masing nukleofil mengandung sekurang-kurangnya satu pasangan electron.

Pada alkil halide tersier tidak dapat bereaksi secara SN2, bagaimana produk substitusi itu, ternyata alkil halide tersier mengalami substitusi dengan suatu mekanisme yang disebut reaksi SN1 (substitusi nukleofilik unimolekular). Hasil eksperimen yang diperoleh dalam reaksi SN1 cukup berbeda dengan reaksi SN2 secara khas tanpa mengalami suatu stantiomer murni dari suatu alkil halide yang mengandung karbon C – X yang tidak mengalami reaksi SN1, maka diperoleh dalam reaksi SN2, juga disimpulkan bahwa pada reaksinya pengaruh konsentrasi SN2.

Mekanisme rekasi 1-butanol dengan hydrogen bromide berlangsung dengan pemindahan air oleh ion bromida dari bentuk protonasi alcohol (ion alkilosonium).

Florinasi nukleofilik menggunakan CSF atau flourida logam alkali sesuai pada waktu reaksi singkat dihadapan (bmim) (BF4) affording produk yang diinginkan tanpa produk sampingan. Substitusi nukleofilik seperti halogenations, acetoxylextoon natriliton dan nikoxylations dihadapan garam ionic menyediakan produk yang diinginkan dalam hasil yang baik.

Atom halogen (F, Cl, Br atau I) dapat diwakili oleh X. dengan menggunakan lambing umum, maka alkil halide ialah RX dan aril halide seperti bromo benzene (C6H5Br) ialah ARX. Ikatan sigma karbon halogen terbentuk oleh saling mendidihnya suatu orbital atom halogen dan suatu orbital halogen atom karbon. Tak dapat dipastikan mengenai ada tidaknya hibridisasi atom karbon. Dalam suatu halide organic, karena sebuah halogen hanya membentuk satu ikatan kovalen dank arena itu dapat sudut ikatan disekitar atom ini. Namun, karbon menggunakan orbital halide yang sama tipenya untuk mengikat halogen maupun atom karbon lain.

Dalam reaksi kimia, struktur bagian alkil (dari) alkil halide berperan. Oleh karena itu peru dibedakan empat tipe alkil halide yaitu : metil , primer, sekunder, dan tersier. Suatu metil halide ialah suatu struktur dalam suatu hydrogen dari metana yang telah digantikan oleh sebuah halogen. Karbon ujung alkil halide ialah atom karbon yang terikat pada karbon ujung alkil halide primer (1.) (RCH2X) mempunyai satu gugus alkil terikat pada karbon ujung. Alkil halide primer (satu gugus alkil terdekat pada ujung)

CH3 →  CH2Br

Bromoetana (etil bromida)

Suatu alkil halide sekunder (2.) (R2CHX) mempunyai dua gugus alkil yang terikat pada karbon ujung, dan suatu alkil halide tersier (3.) (R3CHX) mempunyai tiga gugus alkil yang terikat pada karbon ujung (perhatikan bahwa sebuah halogen yang terikat pada suatu sikloalkana haruslah sekunder atau tersier).

Karena dapat bereaksi lebih dari satu reaksi antara sebuah alkil halide dan sebuah nukleofil atau basa, maka reaksi substitusi dan reaksi eliminasi dikatakan sebagai reaksi bersaing. Reaksi bersaingan lazim dijumpai dalam kimia organic. Karena campuran produk kebanyakan persamaan organic tidak dilengkapi secara stokiometris.

Dalam SN2 alkil halide, metil halide menunjukkan laju tertinggi, diikuti oleh alkil halide primer, kemudian alkil halide sekunder. Alkil halide tersebut tidak bereaksi SN2.

3. RX  2. RX  1. RX  CH3X

Naiknya laju reaksi SN2

Dengan bertmbahnya jumlah gugus alkil yang terikat pada karbon ujung (CH3X → 1. + 2. → 3.), keadaan transisinya bertambah berjejal dengan atom. Perhatikan contoh berikut dari reaksi alkil bromida dengan ion metoksida (CH3O) sebagai nuklofil (CH3O + RBr → CH3OR + Br), yang ditunjukkan. Jejealan ruang dalam sturktur-struktur disebut rintangan sterik (steric hindrance). Bila gugus-gugus besar berjejalan dalam suatu ruang sempit, tolak-menolak antara gugus bertambah parah dank arena itu energy system tinggi. Dalam suatu reaksi SN2 energi suatu keadaan transisi yang berjejal lebih tinggi daripada energy keadaan transisi dengan rintangan sterik pindah. Karena inilah maka laju reaksi makin menurun dalam deret metil, primer, sekunder dan tersier.