El cloro elemental es un oxidante. Interviene en reacciones de sustitución, donde desplaza a los halógenos menores de sus sales. Por ejemplo, el gas de cloro burbujeado a través de una solución de aniones bromuro o yoduro los oxida a bromo y yodo, respectivamente.

Como los otros halógenos, el cloro participa en la reacción de sustitución radicalaria con compuestos orgánicos que contienen hidrógeno. Esta reacción es frecuentemente -pero no invariablemente- no regioselectiva, y puede resultar en una mezcla de productos isoméricos. Frecuentemente, también es difícil el control del grado de sustitución, así que las sustituciones múltiples son comunes. Si los diferentes productos de la reacción se pueden separar fácilmente, por ejemplo, por destilación, la cloración radicalaria sustitutiva (en algunos casos acompañada de una declorinación térmica concurrente) puede ser una ruta sintética útil. Algunos ejemplos industriales de esto son la producción de cloruro de metilo, cloruro de metileno, cloroformo y tetracloruro de carbono a partir de metano, cloruro de alilo a partir de propileno, y tricloroetileno y tetracloroetileno a partir de 1,2-dicloroetano.

Como con los otros haluros, el cloro participa de reacciones de adición electrofílicas, más notablemente, la cloración de alquenos y compuestos aromáticos, con un catalizador ácido de Lewis. Los compuestos orgánicos de cloro tienden a ser menos reactivos en la reacción de sustitución nucleofílica que los correspondientes derivados de bromo o yodo, pero tienden a ser más baratos. Pueden ser activados por sustitución con un grupo tosilato, o por el uso de una cantidad catalítica de yoduro de sodio.

El cloro es usado extensivamente en química orgánica y química inorgánica como un agente oxidante, y en reacciones de sustitución, porque frecuentemente el cloro imparte propiedades deseadas a un compuesto orgánico, debido a su electronegatividad.

Los compuestos de cloro son usados como intermediarios en la producción de un gran número de productos industriales importantes que no contienen cloro. Algunos ejemplos son: policarbonatos, poliuretanos, siliconas, politetrafluoroetileno, carboximetilcelulosa y óxido de propileno.

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