El siguiente es el mecanismo de reacción de una sustitución aromática nucleófila de 2,4-dinitroclorobenceno en una solución básica en agua.
En esta secuencia los carbonos se numeran en el sentido de las agujas del reloj del 1 al 6 empezando por el carbono 1 a las 12 horas, que está unido al cloruro. Como el grupo nitro es un activador hacia la sustitución nucleofílica, y un metadirector, permite que el carbono del benceno al que está unido tenga una carga negativa. En el complejo Meisenheimer, los electrones no enlazados del carbanión se unen al sistema aromático pi, lo que permite que el carbono ipso se una temporalmente al grupo hidroxilo (-OH). Para volver a un estado de menor energía, o bien el grupo hidroxilo sale, o bien el cloruro sale. En solución ocurren ambos procesos. Un pequeño porcentaje del intermedio pierde el cloruro para convertirse en el producto (2,4-dinitrofenol), mientras que el resto vuelve al reactivo. Dado que el 2,4-dinitrofenol se encuentra en un estado energético más bajo, no volverá a formar el reactante, por lo que después de un tiempo, la reacción alcanza el equilibrio químico que favorece al 2,4-dinitrofenol.
La formación del complejo de Meisenheimer estabilizado por resonancia es lenta porque se encuentra en un estado energético más alto que el reactante aromático. La pérdida del cloruro es rápida, porque el anillo vuelve a ser aromático. Trabajos recientes indican que, a veces, el complejo de Meisenheimer no es siempre un verdadero intermedio, sino que puede ser el estado de transición de un proceso de ‘SN2 frontal’, en particular si la estabilización por grupos que retiran electrones no es muy fuerte. Una revisión de 2019 argumenta que tales reacciones ‘SNAr concertadas’ son más frecuentes de lo que se suponía anteriormente.
Los haluros de ariol no pueden sufrir la clásica reacción SN2 ‘de frente’. El enlace carbono-halógeno está en el plano del anillo porque el átomo de carbono tiene una geometría planar trigonal. El ataque por detrás está bloqueado y, por tanto, esta reacción no es posible. Una reacción SN1 es posible pero muy desfavorable. Implicaría la pérdida sin ayuda del grupo saliente y la formación de un catión arilo. El grupo nitro es el grupo activador más común, otros grupos son el ciano y el grupo acilo. El grupo saliente puede ser un halógeno o un sulfuro. Al aumentar la electronegatividad, la velocidad de reacción del ataque nucleófilo aumenta. Esto se debe a que el paso que determina la velocidad de una reacción SNAr es el ataque del nucleófilo y la posterior ruptura del sistema aromático; el proceso más rápido es la reformación favorable del sistema aromático tras la pérdida del grupo saliente. De este modo, se observa el siguiente patrón con respecto a la capacidad del grupo saliente halógeno para la SNAr: F > Cl ≈ Br > I (es decir, un orden inverso al esperado para una reacción SN2). Si se mira desde el punto de vista de una reacción SN2, esto parecería contradictorio, ya que el enlace C-F es uno de los más fuertes de la química orgánica, cuando en realidad el fluoruro es el grupo saliente ideal para una SNAr debido a la extrema polaridad del enlace C-F. Los nucleófilos pueden ser aminas, alcóxidos, sulfuros y carbaniones estabilizados.