O mecanismo de reacção de uma substituição aromática nucleófila de 2,4-dinitroclorobenzeno numa solução básica em água é o seguinte.
Nesta sequência os carbonos são numerados no sentido dos ponteiros do relógio de 1-6 começando com o 1 carbono às 12 horas, que é ligado ao cloreto. Como o grupo nitro é um ativador para substituição nucleofílica, e um meta-diretor, permite que o carbono benzeno ao qual ele está ligado tenha uma carga negativa. No complexo Meisenheimer, os elétrons não ligados do carbanion tornam-se ligados ao sistema pi aromático que permite que o carbono ipso se ligue temporariamente ao grupo hidroxila (-OH). Para retornar a um estado de menor energia, ou o grupo hidroxila sai, ou as folhas de cloreto. Em solução, ambos os processos acontecem. Uma pequena percentagem do intermediário perde o cloreto para se tornar o produto (2,4-dinitrofenol), enquanto que o restante regressa ao reagente. Como o 2,4-dinitrofenol está em um estado de menor energia, ele não retornará para formar o reagente, então depois de algum tempo, a reação atinge o equilíbrio químico que favorece o 2,4-dinitrofenol.
A formação do complexo Meisenheimer estabilizado por ressonância é lenta porque está em um estado de energia mais alta do que o reagente aromático. A perda do cloreto é rápida, porque o anel volta a se tornar aromático. Trabalhos recentes indicam que, às vezes, o complexo Meisenheimer nem sempre é um verdadeiro intermediário, mas pode ser o estado de transição de um processo ‘SN2 frontal’, particularmente se a estabilização por grupos de retirada de elétrons não for muito forte. Uma revisão de 2019 argumenta que tais reações SNAr ‘concertadas’ são mais prevalentes do que anteriormente suposto.
Aryl halides não podem sofrer a clássica reação SN2 ‘backside’. A ligação carbono-halogênio está no plano do anel porque o átomo de carbono tem uma geometria planar trigonal. O ataque de retaguarda é bloqueado e esta reação não é, portanto, possível. Uma reação SN1 é possível, mas muito desfavorável. Ela envolveria a perda sem ajuda do grupo de saída e a formação de um cátion arilo. O grupo nitro é o grupo ativador mais comumente encontrado, outros grupos são o grupo ciano e o grupo acyl. O grupo de saída pode ser um halógeno ou um sulfeto. Com o aumento da eletronegatividade a taxa de reação para ataque nucleófilo aumenta. Isto porque a etapa determinante da taxa para uma reação SNAr é o ataque do nucleófilo e a subseqüente quebra do sistema aromático; o processo mais rápido é a reforma favorável do sistema aromático após a perda do grupo de saída. Como tal, o seguinte padrão é visto em relação à capacidade do grupo de saída de halogéneo para o SNAr: F > Cl ≈ Br > I (ou seja, uma ordem inversa à esperada para uma reacção SN2). Se olharmos do ponto de vista de uma reação SN2 isto pareceria contra-intuitivo, uma vez que a ligação C-F está entre as mais fortes da química orgânica, quando de fato o flúor é o grupo ideal de saída para um SNAr devido à extrema polaridade da ligação C-F. Os nucleófilos podem ser aminas, alcóxidos, sulfuretos e carboidratos estabilizados.