Durante a nitração do tolueno, um ou mais átomos de hidrogênio no anel de benzeno são substituídos por um grupo nitro. O número de hidrogênios que são substituídos pelos grupos nitro depende das condições de a reação, como a temperatura.
A nitração de tolueno requer uma mistura de ácido nítrico concentrado e ácido sulfúrico concentrado. O ácido nítrico é o doador do grupo nitro, e o ácido sulfúrico atua como um catalisador da reação. O ácido sulfúrico também absorve a água que se forma ao longo da reação. O grupo nitro se liga ao anel de benzeno e, por meio do rearranjo das ligações, substitui um átomo de hidrogênio no anel de benzeno. Este mecanismo de substituição de um átomo de hidrogênio por um grupo nitro é chamado de substituição eletrofílica.
O tolueno reage muito mais rápido do que o benzeno nas reações de nitração porque o grupo metil empurra os elétrons em direção ao anel, aumentando assim sua reatividade e tornando-o mais suscetível à substituição eletrofílica. Dependendo da posição em que o grupo nitro é adicionado, em relação ao grupo metil no tolueno, dois isômeros podem ser formados nesta reação. Como os grupos metil são 2,4-direcionadores, uma mistura de 2-nitrometilbenzeno ou 4-nitrometilbenzeno é formada. Uma pequena quantidade de dinitrotolueno também se forma, mas é mais difícil formar o trinitrotolueno. Isso ocorre porque a adição de grupos nitro ao anel de benzeno do tolueno diminui sua reatividade.
