当一个或多个氟、氯、溴或碘原子取代有机化合物中的氢原子时，就会发生卤化反应。反应性顺序为氟化作用 > 氯化作用 > 溴化作用 > 碘化作用。氟化作用特别强，可与有机物发生剧烈反应。氟也是最稳定的有机卤素，一旦加入就很难去除。相反，碘较难添加到有机分子中，但一旦形成碘有机物，碘原子就很容易去除。因此，卤素原子的电负性是卤化反应的驱动力。卤化反应还取决于被卤化的底物分子的性质。
根据底物的不同，卤化反应有几种不同的过程：饱和碳氢化合物通过自由基过程发生卤化反应；不饱和有机物通过加成反应发生卤化反应；芳香烃通过亲电取代反应发生卤化反应。
卤化反应在大宗化学合成和精细化学合成中都很重要，通过卤化反应生成的产品和中间体在医药、聚合物和塑料、制冷剂、燃料添加剂、阻燃剂、农用产品等领域都有广泛应用。
例如，在药品中，添加到分子中的氟化原子或氯原子可以提高其治疗活性的潜力。此外，有机溴化物和有机碘作为中间体化合物也非常有用，可为底物添加官能团，还能合成更复杂的结构。例如，C-Cl 或 C-Br 键可以水解成醇，而醇又可以氧化生成酮、醛和酸。通过消去反应，可形成双键。有机化合物的溴化反应通常是形成格林纳达试剂的重要步骤，为建立 C-C 键提供了合成途径。通过 Friedel-Crafts 反应对芳香环进行烷基化反应具有广泛的适用性，而烷基卤化物是该反应的关键试剂。
卤化反应产生了一些重要的商业化学品和产品。一个典型的例子是，氯仿经过氟化作用生成氯二氟甲烷，然后转化为氟乙烯并聚合生成聚四氟乙烯。另一个例子是乙烯与氯发生加成卤化反应生成二氯乙烷，然后聚合生成聚氯乙烯。
卤化反应可能需要催化剂来增加卤素的亲电性。例如，芳香族化合物的亲电取代反应就需要催化剂。由于溴和氯本身的亲电性不足以引起氢的取代，因此需要路易斯酸的存在。因此，典型的芳香环卤化催化剂是 AlCl3 或 AlBr3。在路易斯酸存在的情况下，卤素的键合变得更加极化，带正电的卤素的亲电性更强。
芳烃的氟化不需要催化剂，因为氟是如此强烈的亲电体，而且这种反应的能量会非常大。很难控制氟化作用的发生量，而且可能会有不止一个氟原子卤化芳香环。要使碘取代芳香环，金属卤化物不是有效的催化剂，但硝酸等氧化剂会将碘转化为 HIO3，从而使苯发生碘化反应。
卤化反应是非常有用的反应，在合成化学中用途广泛。举几个例子：醛和酮α-位的氯化、溴化和碘化反应非常简单，但与氟化反应则不可能发生。用溴或氯对羧酸中的α-氢化反应可以通过 Zell-Volhard-Zelinsky 反应进行，不过需要 P 或 PBr3 等催化剂。底物越容易烯化，就越容易卤化。因此，酰卤化物、酸酐、丙二酸酯都可以进行 α - 卤化反应，而无需催化剂。霍夫曼重排反应使用溴将酰胺转化为胺。芳香环可以溴化或氯化，但需要 Fe（实际上是 FeCl3）或 AlCl3 或 AlBr3 等催化剂。氟本身对芳香族的氟化作用较强，但也有一些试剂（如 ClO3F）可以用来氟化某些基质（如酚类）。一般来说，溴和氯很容易卤化带有双键和三键的化合物。
虽然可以使用 X2 或 HX 进行卤化，但这些分子通常具有毒性、腐蚀性且难以管理。举例来说，氟和 HF 具有惊人的腐蚀性、反应性，会产生不想要的副产品，而且总的来说难以操作和控制反应放热反应。因此，人们开发出了可以提供氟化作用但更加稳定和可控的化合物。举例来说，二乙氨基三氟化硫（DAST）是一种稳定的固体，可将醇类、醛类和酮类转化为相应的有机氟化物，使用起来比氟化气体或四氟化硫气体要安全方便得多。SOCl2 和 PCl5 等试剂可用于从相应的醇中生成有机氯化合物，与氟化作用一样，比使用元素氯更容易使用和控制反应。作为溴的替代品，N-溴琥珀酰亚胺（NBS）被广泛用于溴化烯烃。
卤化反应的能量很高，对水分和空气很敏感。此外，反应产率和选择性是底物、卤化试剂、反应温度和其他变量的函数。这一系列要求使得原位分析和精确控制成为卤化反应的重要目标。
了解卤化反应的动力学和热力学对于实现产品和安全目标非常重要，这一点在扩大反应规模时尤为突出。EasyMax和RC1等实验室自动化反应器在确保充分了解反应能量学以及充分模拟变量对反应性能的影响方面发挥着重要作用。ReactIR和ReactRaman原位光谱技术对于跟踪和监测关键反应物非常有用，可提供动力学和机械学信息。卤化反应通常会产生中间产物和副产物，了解反应变量对这些物质生成的影响有助于确保反应性能和安全性。工程师和化学家将实验室自动化反应器与原位光谱探头结合使用，以确保卤化反应的性能和安全性。
Thomas Scattolin, Kristina Deckers, and Franziska Schoenebeck, "Direct Synthesis of Acyl Fluorides from Carboxylic Acid with the Bench-Sable Solid Reagent (Me4N)SCF3",Org.Lett..
作者报告了由烷基和芳香族羧酸与试剂 (Me4N)SCF3. 反应制备酰基氟化作用的情况，这种试剂稳定、固态且安全，无需使用危险或有毒的试剂（如三聚氰酸氟化物或 HF）即可实现氟化。他们继续探索该反应的范围，并制备了各种酰基氟化物。其中一个例子是 1-金刚烷甲酸的相应酰基氟化物。他们还从相应的 Boc-、Fmoc- 和 Cbz-N 保护氨基酸中合成了酰氟。
为了阐明可能的机理，对三种电子不同的羧酸进行了 ReactIR 测量。根据收集到的动力学信息和释放出羰基硫化物气体的观察结果，作者提出了一种机制，认为在生成酰基氟之前会形成关键的中间产物。
作者报告了合成三氟甲基化 N-融合杂环的连续流动路线的开发情况。他们指出，通过使用塞流反应器设计来帮助控制酸/碱剂量的放热反应，缓解了与反应器相关的安全问题。使用这种方法还能避免未反应试剂的积累。与传统的间歇式反应相比，这种反应减少了副产物，提高了产率，具有更好的可扩展性和安全性。
配备量热仪的 EasyMax 用于评估合成过程中每个步骤的临界温度参数。结果表明，向反应溶液中引入三氟乙酸和丙基膦酸酐会引起 50 oC 的放热反应。加入三乙胺和三氟乙酸酐后，放热超过 50 摄氏度。因此，分批法显然是有问题的，这支持了连续流方法的可行性和使用。
Lara Amini-Rentsch、Ennio Vanoli、Sylvia Richard-Bildstein、Roger Marti、Gianvito Vilé，"制备用于药物发现和药品生产的三氟甲基化 N-融合杂环的新型高效连续流方法"，Ind.Ind.Chem.Res.2019，58，24，10164-10171。
Alyssa M. Hua, Duy N. Mai, Ramon Martinez, and Ryan D. Baxter, "Radical C-H Fluorination Using Unprotected Amino Acids as Radical Precursors", Org.Lett. 2017, 19, 11, 2949-2952。
作者报告了在自由基生成过程中使用未保护氨基酸对苄基 C-H 进行氟化的作用。使用银催化剂和 Selectafluor [1-氯甲基-4-氟-1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷双（四氟硼酸盐）]对未受保护的氨基酸进行氧化脱羧，产生 α-氨基烷基自由基。Selectafluor 提供了亲电氟化作用源。
ReactIR 测量为自由基氟化作用的机理提供了证据。加入硝酸银时，Selectfluor 的浓度没有变化，但加入甘氨酸后，Selectfluor 的浓度迅速下降。因此，甘氨酸似乎对 Ag(I) 和 Selectafluor 之间的反应至关重要，这促使研究人员推测出一种 Ag(I)/Ag(II) 催化剂循环，用于用 Selectfluor 对未受保护的氨基酸进行脱羧反应。他们指出，无保护氨基酸的配位降低了 Ag(I) 的氧化电位，从而使氧化作用在温和的条件下发生。
Lara Amini-Rentsch, Ennio Vanoli, Sylvia Richard-Bildstein, Roger Marti, Gianvito Vilé, "A Novel and Efficient Continuous-Flow Route To Prepare TrifluoromethylatedN-Fused Heterocycles for Drug Discovery and Pharmaceutical Manufacturing", Ind.Ind.Chem.Res.2019，58，24，10164-10171。
作者报告了合成三氟甲基化N-融合杂环的连续流动路线的开发情况。他们指出，通过使用塞流反应器设计来帮助控制酸/碱配料的放热反应，缓解了与反应器相关的安全问题。使用这种方法还能避免未反应试剂的积累。与传统的间歇式反应相比，这种反应减少了副产物，提高了产率，具有更好的可扩展性和安全性。
配备量热仪的 EasyMax 用于评估合成过程中每个步骤的临界温度参数。结果表明，在反应溶液中加入三氟乙酸和丙基膦酸酐会引起 50oC 的放热反应，而加入三乙胺和三氟乙酸酐则会引起大于 50oC 的放热反应。因此，分批法显然是有问题的，这支持了连续流方法的可行性和使用。