In chimica si intende per sostituzione nucleofila una reazione di sostituzione in cui un nucleofilo sostituisce in una molecola un secondo gruppo nucleofilo (che prende il nome di gruppo uscente).
La reazione può essere schematizzata come segue:
Nuc1:- + R-Nuc2 → R-Nuc1 + Nuc2:-
in cui:

Nuc1 e Nuc2 sono i gruppi nucleofili
R indica un gruppo alchilico
Nuc2:- è il gruppo uscente
i due punti ":" indicano un doppietto elettronico spaiato (o lone pair)
R-Nuc2 viene detto substrato.Si ha in pratica la sostituzione, nella molecola R-Nuc2, del gruppo -Nuc2 col gruppo -Nuc1. Nel caso in cui Nuc1 sia il solvente in cui la reazione viene svolta si parla di solvolisi.

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