Durante la nitrazione del toluene, uno o più degli atomi di idrogeno nell'anello benzenico sono sostituiti da un gruppo nitro. Il numero di idrogeni che vengono sostituiti dai gruppi nitro dipende dalle condizioni di la reazione, come la temperatura.
La nitrazione del toluene richiede una miscela di acido nitrico concentrato e acido solforico concentrato. L'acido nitrico è il donatore per il gruppo nitro e l'acido solforico agisce come catalizzatore della reazione. L'acido solforico assorbe anche l'acqua che si forma nel corso della reazione. Il gruppo nitro si lega all'anello benzenico e, attraverso il riarrangiamento dei legami, sostituisce un atomo di idrogeno nell'anello benzenico. Questo meccanismo di sostituzione di un atomo di idrogeno per un gruppo nitro è chiamato una sostituzione elettrofila.
Il toluene reagisce molto più rapidamente del benzene nelle reazioni di nitrazione perché il gruppo metile spinge gli elettroni verso l'anello, aumentando così la sua reattività e rendendolo più suscettibile alla sostituzione elettrofila. A seconda della posizione alla quale viene aggiunto il gruppo nitro, rispetto al gruppo metilico in toluene, in questa reazione si possono formare due isomeri. Poiché i gruppi metilici sono a 2,4-direttori, si forma una miscela di 2-nitrometilbenzene o 4-nitrometilbenzene. Anche una piccola quantità di dinitrotoluene si forma, ma è più difficile formare il trinitrotoluene. Questo perché aggiungendo gruppi nitro all'anello benzene di toluene diminuisce la sua reattività.
