Voici le mécanisme réactionnel d’une substitution aromatique nucléophile du 2,4-dinitrochlorobenzène dans une solution basique dans l’eau.
Dans cette séquence, les carbones sont numérotés dans le sens des aiguilles d’une montre de 1 à 6 en commençant par le carbone 1 à 12 heures, qui est lié au chlorure. Comme le groupe nitro est un activateur vers la substitution nucléophile, et un méta directeur, il permet au carbone du benzène auquel il est lié d’avoir une charge négative. Dans le complexe de Meisenheimer, les électrons non liés du carbanion se lient au système aromatique pi, ce qui permet au carbone ipso de se lier temporairement au groupe hydroxyle (-OH). Pour revenir à un état d’énergie inférieur, soit le groupe hydroxyle s’en va, soit le chlorure s’en va. En solution, les deux processus se produisent. Un petit pourcentage de l’intermédiaire perd le chlorure pour devenir le produit (2,4-dinitrophénol), tandis que le reste retourne au réactif. Comme le 2,4-dinitrophénol est dans un état d’énergie inférieur, il ne retournera pas pour former le réactif, donc après un certain temps, la réaction atteint un équilibre chimique qui favorise le 2,4-dinitrophénol.
La formation du complexe de Meisenheimer stabilisé par résonance est lente car il est dans un état d’énergie supérieur à celui du réactif aromatique. La perte du chlorure est rapide, car le cycle redevient aromatique. Des travaux récents indiquent que, parfois, le complexe de Meisenheimer n’est pas toujours un véritable intermédiaire, mais peut être l’état de transition d’un processus de » SN2 frontside « , en particulier si la stabilisation par des groupes attracteurs d’électrons n’est pas très forte. Une revue de 2019 soutient que de telles réactions ‘SNAr’ concertées sont plus répandues qu’on ne le pensait auparavant.
Les halogénures d’aryle ne peuvent pas subir la réaction SN2 classique ‘backside’. La liaison carbone-halogène est dans le plan du cycle car l’atome de carbone a une géométrie planaire trigonale. L’attaque par l’arrière est bloquée et cette réaction n’est donc pas possible. Une réaction SN1 est possible mais très défavorable. Elle implique la perte spontanée du groupe partant et la formation d’un cation aryle. Le groupe nitro est le groupe activateur le plus couramment rencontré, les autres groupes sont le cyano et le groupe acyle. Le groupe partant peut être un halogène ou un sulfure. Plus l’électronégativité augmente, plus la vitesse de réaction de l’attaque nucléophile augmente. En effet, l’étape déterminant la vitesse d’une réaction SNAr est l’attaque du nucléophile et la rupture subséquente du système aromatique ; le processus le plus rapide est la reformation favorable du système aromatique après la perte du groupe partant. En tant que tel, le schéma suivant est observé en ce qui concerne la capacité du groupe partant halogène pour le SNAr : F > Cl ≈ Br > I (c’est-à-dire un ordre inversé par rapport à celui attendu pour une réaction SN2). Si l’on regarde du point de vue d’une réaction SN2, cela semblerait contre-intuitif, puisque la liaison C-F est parmi les plus fortes en chimie organique, alors qu’en fait le fluorure est le groupe partant idéal pour un SNAr en raison de l’extrême polarité de la liaison C-F. Les nucléophiles peuvent être des amines, des alcoxydes, des sulfures et des carbanions stabilisés.