Η αντίδραση μεταξύ χλωρίου και βουτανίου είναι μια αντίδραση αντικατάστασης ελεύθερων ριζών. Σε αυτόν τον τύπο αντίδρασης, ένα άτομο χλωρίου αντικαθιστά ένα άτομο υδρογόνου στο μόριο βουτανίου. Η αντίδραση ξεκινά από το σχηματισμό μιας ρίζας χλωρίου, η οποία είναι ένα εξαιρετικά αντιδραστικό άτομο με ένα μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο. Αυτή η ρίζα μπορεί στη συνέχεια να αντιδράσει με ένα άτομο υδρογόνου στο μόριο βουτάνιο, σχηματίζοντας ένα μόριο χλωριδίου υδρογόνου και μια ρίζα βουτυλίου. Η ρίζα βουτυλίου μπορεί στη συνέχεια να αντιδράσει με ένα άλλο μόριο χλωρίου, σχηματίζοντας ένα μόριο χλωριούχου βουτυλίου και μια νέα ρίζα χλωρίου. Αυτή η διαδικασία μπορεί να συνεχιστεί έως ότου όλα τα άτομα υδρογόνου στο μόριο βουτάνιο έχουν αντικατασταθεί από άτομα χλωρίου.
Ο ρυθμός αντίδρασης ελεύθερης ριζικής υποκατάστασης επηρεάζεται από έναν αριθμό παραγόντων, συμπεριλαμβανομένης της συγκέντρωσης των αντιδραστηρίων, της θερμοκρασίας και της παρουσίας αναστολέων ή καταλυτών. Η αντίδραση είναι επίσης πιο πιθανό να συμβεί εάν το άτομο υδρογόνου που αντικατασταθεί βρίσκεται σε ένα τρίτο άτομο άνθρακα (ένα άτομο άνθρακα που συνδέεται με άλλα τρία άτομα άνθρακα).
Η αντίδραση μεταξύ χλωρίου και βουτανίου είναι μια σημαντική βιομηχανική διαδικασία για την παραγωγή χλωριωμένων υδρογονανθράκων, οι οποίοι χρησιμοποιούνται ως διαλύτες, ψυκτικά και πλαστικά.