La TCDD se forma, como subproducto, durante la síntesis de 2,4,5-triclorofenol a partir de 1,2,4,5-tetraclorobenceno en condiciones alcalinas por condensación de dos moléculas de triclorofenato sódico. Cuando se mantiene un control estricto de la temperatura y la presión a medida que avanza la reacción, el 2,4,5-triclorofenol crudo contiene entre 1 mg/kg y 5 mg/kg de TCDD (1-5 ppm). A temperaturas más altas (230 a 260 °C), la formación del producto aumenta.
La estructura química de la TCDD fue identificada en el año 1956 por Sandermann y sus colaboradores, quienes sintetizaron esta sustancia por primera vez. Un técnico de laboratorio que trabajaba en la síntesis fue hospitalizado con cloracné muy severo.
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