Het volgende is het reactiemechanisme van een nucleofiele aromatische substitutie van 2,4-dinitrochloorbenzeen in een basische oplossing in water.
In deze volgorde zijn de koolstoffen met de klok mee genummerd van 1-6 te beginnen met de 1-koolstof op 12 uur, die gebonden is aan het chloride. Aangezien de nitro groep een activator is voor nucleofiele substitutie, en een meta regisseur, staat hij toe dat de benzeen koolstof waaraan hij gebonden is een negatieve lading heeft. In het Meisenheimer complex worden de niet gebonden elektronen van het carbanion gebonden aan het aromatische pi systeem waardoor de ipso koolstof tijdelijk kan binden met de hydroxylgroep (-OH). Om terug te keren naar een lagere energietoestand, verlaat ofwel de hydroxylgroep, ofwel het chloride het complex. In oplossing gebeuren beide processen. Een klein percentage van het tussenproduct verliest het chloride en wordt het product (2,4-dinitrofenol), terwijl de rest terugkeert naar het reactant. Omdat 2,4-dinitrofenol in een lagere energietoestand verkeert, zal het niet terugkeren om het reactant te vormen, zodat na enige tijd de reactie een chemisch evenwicht bereikt dat in het voordeel is van 2,4-dinitrofenol.
De vorming van het resonantie-gestabiliseerde Meisenheimer-complex verloopt langzaam omdat het in een hogere energietoestand verkeert dan het aromatische reactant. Het verlies van het chloride is snel, omdat de ring weer aromatisch wordt. Recent werk geeft aan dat soms het Meisenheimer complex niet altijd een echt tussenproduct is, maar de overgangstoestand kan zijn van een ‘frontside SN2’ proces, vooral als de stabilisatie door elektron-onttrekkende groepen niet erg sterk is. In een overzichtsartikel uit 2019 wordt betoogd dat dergelijke ‘gecoördineerde SNAr’-reacties vaker voorkomen dan eerder werd aangenomen.
Arylhalogeniden kunnen de klassieke ‘backside’ SN2-reactie niet ondergaan. De koolstof-halogeenverbinding ligt in het vlak van de ring omdat het koolstofatoom een trigonale vlakke geometrie heeft. De “backside attack” is geblokkeerd en deze reactie is daarom niet mogelijk. Een SN1-reactie is mogelijk, maar zeer ongunstig. Hierbij zou de vertrekkende groep zonder hulp verloren gaan en zou een arylkation ontstaan. De nitro-groep is de meest voorkomende activerende groep, andere groepen zijn de cyaan- en de acylgroep. De uittredende groep kan een halogeen of een sulfide zijn. Met toenemende elektronegativiteit neemt de reactiesnelheid voor nucleofiele aanvallen toe. Dit komt doordat de snelheidsbepalende stap voor een SNAr-reactie de aanval van het nucleofiel en de daaropvolgende verbreking van het aromatische systeem is; het snellere proces is de gunstige reforming van het aromatische systeem na het verlies van de uittredende groep. Als zodanig wordt het volgende patroon gezien met betrekking tot het vermogen van halogeenverlatende groepen voor SNAr: F > Cl ≈ Br > I (d.w.z. een omgekeerde volgorde als die welke wordt verwacht voor een SN2-reactie). Vanuit het oogpunt van een SN2-reactie zou dit contra-intuïtief lijken, aangezien de C-F binding tot de sterkste in de organische chemie behoort, terwijl het fluoride juist de ideale vertrekgroep is voor een SNAr vanwege de extreme polariteit van de C-F binding. Nucleofielen kunnen aminen, alkoxiden, sulfiden en gestabiliseerde carbanionen zijn.