Bij een chemische reactie worden bindingen tussen atomen verbroken en andere nieuwe bindingen gevormd. Daarbij zijn altijd valentie-elektronen betrokken, die daarbij meestal van plaats veranderen. Tijdens reacties verandert er niets aan de atoomkernen en ook niet aan de elektronen in de binnenste elektronenschillen. Bij en reactie kunnen zowel de bindende als de niet-bindende elektronenparen zijn betrokken. Bij het tekenen van reactiemechanismen wordt dan ook gebruikgemaakt van lewisstructuren. Om het overzichtelijk te houden, zijn daarbij die delen van het molecuul die niet bij de reactie betrokken zijn vaak versimpeld weergegeve.

Een reactiemechanisme beschrijft op microniveau wat er gebeurt tijdens elke stap van een chemische reactie

• Welke atoombindingen worden er verbroken?
• In welke volgorde gebeurt dat?
• Welke atoombindingen worden er gevormd?
• In welke volgorde gebeurt dat?
• Hoe zien de moleculen van de tussenproducten eruit?
  
  

Uit de lewisstructuur van tussenproducten is vaak op te maken hoe stabiel het tussenproduct is. Een tussenproduct waarbij niet alle atomen aan de octetregel voldoen, is instabiel. De vorming van een instabiel deeltje kost meer energie dan de vorming van een stabiel deeltje en verloopt daardoor over het algemeen trager. Door reactiemechanisme te bestuderen, kun je erachter komen welke stap in de totaalreactie het langzaamst verloopt en dus bepalend is voor de totale reactiesnelheid. Omdat atoombindingen uit elektronen bestaan, zijn het de verplaatsingen van elektronen die bepalen welke bindingen worden verbroken en welke bindingen worden gevormd. De tussenproducten van reactiemechanisme zien er vaak gek uit.

Atoombindingen in een organische verbinding zijn polair doordat atomen in een atoombinding in elektronegativiteit verschillen. Omdat de elektronen in die binding daardoor niet symmetrisch over de atomen zijn verdeeld, ontstaat er een ladingsverschil en dus een polaire atoombinding. De richting van de pijl geeft de richting van de elektronenverplaatsing tijdens de reactie aan, en gaat altijd van het nucleofiele deeltje naar het elektrofiele deeltje. Wanneer een reactief deeltje een reactie aangaat met een ander deeltje spreken chemici vaak van een aantal van het ene deeltje op het andere deeltje.

Als gevolg van partiële ladingen of gehele ladingen kunnen gedeelten van moleculen of ionen een elektronenoverschot of elektronenoverschot hebben. Als een deeltje een elektronenoverschot heeft, zal het zich aangetrokken voelen tot positieve ladingen zoals die in de kernen. Daarom heet het deeltje met een elektronenoverschot een nucleofiel deeltje. Een deeltje met een elektronentekort heet een elektrofiel deeltje. In reactiemechanismen van koolstofverbindingen komen vaker tussenproducten voor met positief geladen koolstofatomen. Zo'n deeltje heet een carbokation.

Bij niet-polaire atoombindingen bevindt het bindend elektronenpaar zich in het midden tussen beide atomen. Wanneer deze binding wordt verbroken, kan het gebeuren dat beide atomen van de verbroken atoombinding een elektron meenemen. Er ontstaan dan ongeladen deeltjes met een ongepaard elektron. Zo'n deeltje heet een radicaal. Een reactie waarbij radicalen betrokken zijn, heet een radicaalreactie.

Onder invloed van licht kunnen halogenen vaak spontaan radicalen vormen. Dit gebeurt in de initiatiefase. De reactie stopt pas wanneer de radicalen met elkaar reageren tot een niet-radicaal.

Deeltjes zijn het stabielst wanneer alle elektronen zijn gepaard. Radicalen zijn deeltjes met een ongepaard elektron en zijn daardoor reactieve deeltjes. Er zijn radicalen die veel gemakkelijker worden gevormd dan andere radicalen. Dat heeft te maken met de sterkte van de atoombinding. Hoe sterker de atoombinding, hoe meer energie er nodig is om die binding in ongepaarde elektronen op te breken. Deze hoeveelheid energie heet bindingsenergie. Ook de positie van het ongepaarde elektron in het molecuul is van belang voor de stabiliteit van het radicaal.

Kunststoffen bestaan uit lange moleculen. Deze lange moleculen worden gemaakt door kleine monomeermoleculen in een herhalingsreactie (polymeristatiereactie) lange ketens te laten vormen: polymeermoleculen. Omdat dit proces zich vaak kan herhalen, kunnen er als in een kettingreactie lange polumeermoleculen worden gevormd.

Nucleofiele substitutiereacties behoren tot de meest voorkomende reacties in de organische chemie. Bij een nucleofiele substitutie valt een nucleofiel aan op een elektrofiel koolstofatoom in een koolstofverbinding. Het nucleofiel gebruikt zijn elektronenoverschot om een binding met het koolstofatoom te maken, waardoor een andere groep van het koolstofatoom afvalt, met medeneming van het elektronenpaar dat hem aan het koolstofatoom bond. Wanneer het elektrofiele C-atoom asymmetrisch is, heeft een substitutiereactie invloed op de spiegelbeeldisomerie. Op microniveau ontstaat er uit een molecuul met een asymmetrisch C-atoom een ander molecuul met een asymmetrisch C-atoom. Op macroniveau kan dit invloed hebben op de zuiverheid van de stof. Uit een zuiver spiegelbeeldisomeer kan een nieuw zuiver spiegelbeeldisomeer of een racemisch mengsel ontstaan. In het eerste geval blijft de chiraliteit van de stof behouden: alle moleculen hebben dezelfde ruimtelijke bouw. Wanneer een racemisch mengsel ontstaat, gaat alle chiraliteit van de stof verloren. De chiraliteit kan worden vastgesteld door de optische activiteit van de stoffen met behulp van een polarimeter te meten.

De snelheid van substitutiereacties, waarbij de chiraliteit behouden blijft, is afhankelijk van de concentraties van beide beginstoffen. Bij dit reactiemechanisme valt het nucleofiel aan de ene kant van de koolstofverbinding aan en tegelijkertijd valt aan de andere kant van het molecuul een groep eraf. Die groep heet de vertrekkende groep.

De snelheid is zowel afhankelijk van de concentratie nucleofiel als van de concentratie van de koolstofverbinding. De reactie is langzamer met een waterstofbrug en of ion-dipoolinteracties en is niet volledig beschikbaar voor de nucleofiele aanval. Het is van belang dat het oplosmiddel polair is, omdat de geladen of polaire nucleofiele en vertrekkende groepen oplosbaar moeten zijn. Goede oplosmiddelen zijn oplosmiddelen met een hoge polariteit die zelf geen H-bruggen kunnen vormen. Een andere snelheidsbepalende factor is de benaderbaarheid van het C-atoom dat wordt aangevallen. Ook speelt het karakter van het nucleofiel en de vertrekkende groep een rol. Een Sn2-reactie verloopt het best met een sterk nucleofiel dat een negatieve lading heeft. Dit type sterke nucleofielen is meestal ook een sterke base.

Een substitutiereactie die in twee stappen verloopt, waarbij een stabiel tussenproduct ontstaat. De reactiesnelheid wordt bepaald door de concentratie van de beginstof. Er ontstaan een carbokation en een vertrekkende groep. Soms ontstaat er een racemisch mengsel.

De vorming van het carbokation is het langzaamst en dus snelheidsbepalend. Alleen de concentratie van de koolstofverbinding die als beginstof dient, is bepalend voor de totale reactiesnelheid. De stabiliteit van het ontstane carbokation is van belang. Hoe stabieler, hoe sneller de reactie. De stabiliteit wordt beïnvloed door het aantal en de lengte van de omringende zijketens. Een toenemend aantal zijketens vergroot de stabiliteit van het carbokation, waardoor de eerste stap gemakkelijker verloopt en daarmee de snelheid van de reactie toeneemt. Het karakter van de vertrekkende groep is ook belangrijk.

Door de juiste reactieomstandigheden en beginstoffen te kiezen, kun je goed sturen of een substitueie ia een Sn1- of Sn2-reactiemechanisme gaat plaatsvinden. Een waterstofbrugvormend oplosmiddel is gunstig voor Sn1-reacties. een sterk basisch nucleofiel zal sneller aanleiding geven tot een Sn2-reactie.