Toluen nitrasyonu sırasında, benzen halkasındaki hidrojen atomlarından biri veya daha fazlası bir nitro grubu ile değiştirilir. Nitro grupları tarafından değiştirilen hidrojenlerin sayısı sıcaklık gibi reaksiyon.
Toluenin nitratlanması, konsantre nitrik asit ve konsantre sülfürik asit karışımını gerektirir. Nitrik asit, nitro grubu için vericidir ve sülfürik asit reaksiyona katalizör görevi görür. Sülfürik asit ayrıca reaksiyon boyunca oluşan suyu emer. Nitro grubu, benzen halkasına bağlanır ve bağların yeniden düzenlenmesi yoluyla, benzen halkasındaki bir hidrojen atomunun yerini alır. Bir nitro grubu için bir hidrojen atomunun ikame edilme mekanizmasına elektrofilik ikame denir.
Toluen nitrasyon reaksiyonlarında benzenden çok daha hızlı reaksiyona girer, çünkü metil grubu elektronları halkaya doğru iter, böylece reaktivitesini arttırır ve elektrofilik sübstitüsyona karşı daha duyarlı hale getirir. Nitro grubunun eklendiği pozisyona bağlı olarak, toluen içindeki metil grubuna göre, bu reaksiyonda iki izomer oluşturulabilir. Metil grupları 2,4 yönlendirici olduğu için, 2-nitrometilbenzen veya 4-nitrometilbenzen karışımı oluşur. Az miktarda dinitrotoluen de oluşur, ancak trinitrotoluen oluşturmak daha zordur. Bunun nedeni, toluenin benzen halkasına nitro gruplarının eklenmesinin reaktivitesini düşürmesidir.
