Quello che segue è il meccanismo di reazione di una sostituzione nucleofila aromatica del 2,4-dinitroclorobenzene in una soluzione basica in acqua.
In questa sequenza i carboni sono numerati in senso orario da 1-6 a partire dal carbonio 1 a ore 12, che è legato al cloruro. Poiché il gruppo nitro è un attivatore di sostituzione nucleofila e un meta direttore, permette al carbonio del benzene a cui è legato di avere una carica negativa. Nel complesso di Meisenheimer, gli elettroni non legati del carbanione si legano al sistema pi aromatico che permette al carbonio ipso di legarsi temporaneamente al gruppo idrossile (-OH). Per tornare a uno stato di energia inferiore, o il gruppo idrossile se ne va, o il cloruro se ne va. In soluzione avvengono entrambi i processi. Una piccola percentuale dell’intermedio perde il cloruro per diventare il prodotto (2,4-dinitrofenolo), mentre il resto ritorna al reagente. Poiché il 2,4-dinitrofenolo è in uno stato di energia inferiore, non tornerà a formare il reagente, quindi dopo un po’ di tempo, la reazione raggiunge l’equilibrio chimico che favorisce il 2,4-dinitrofenolo.
La formazione del complesso di Meisenheimer stabilizzato per risonanza è lenta perché è in uno stato di energia superiore rispetto al reagente aromatico. La perdita del cloruro è veloce, perché l’anello diventa nuovamente aromatico. Lavori recenti indicano che, a volte, il complesso di Meisenheimer non è sempre un vero intermedio, ma può essere lo stato di transizione di un processo ‘SN2 frontale’, in particolare se la stabilizzazione da parte di gruppi che sottraggono elettroni non è molto forte. Una revisione del 2019 sostiene che tali reazioni ‘SNAr concertate’ sono più prevalenti di quanto precedentemente ipotizzato.
Gli alogenuri di acrilico non possono subire la classica reazione SN2 ‘backside’. Il legame carbonio-alogeno è nel piano dell’anello perché l’atomo di carbonio ha una geometria trigonale planare. L’attacco posteriore è bloccato e questa reazione non è quindi possibile. Una reazione SN1 è possibile ma molto sfavorevole. Comporterebbe la perdita non assistita del gruppo lasciante e la formazione di un catione arilico. Il gruppo nitro è il gruppo attivante più comunemente incontrato, altri gruppi sono il ciano e il gruppo acile. Il gruppo lasciante può essere un alogeno o un solfuro. Con l’aumento dell’elettronegatività la velocità di reazione per l’attacco nucleofilo aumenta. Questo perché il passo che determina la velocità per una reazione SNAr è l’attacco del nucleofilo e la successiva rottura del sistema aromatico; il processo più veloce è la riformazione favorevole del sistema aromatico dopo la perdita del gruppo di partenza. Come tale, il seguente modello è visto per quanto riguarda la capacità del gruppo lasciante alogeno per SNAr: F > Cl ≈ Br > I (cioè un ordine inverso a quello previsto per una reazione SN2). Se guardato dal punto di vista di una reazione SN2 questo sembrerebbe controintuitivo, dato che il legame C-F è tra i più forti in chimica organica, quando in effetti il fluoruro è il gruppo di partenza ideale per una SNAr a causa dell’estrema polarità del legame C-F. I nucleofili possono essere ammine, alcossidi, solfuri e carbanioni stabilizzati.