嘧啶是间二氮杂苯化合物，由于氮原子（电负性较大）的诱导效应对其α位（邻位）和γ位（对位）产生影响，因而，嘧啶中的2-位，4-位，6-位三个碳原子受到环上两个氮原子的双重影响，成为亲核试剂进攻的位点，所以，嘧啶能被浓碱水溶液（亲核试剂）分解。
嘧啶中最为突出的是5-位碳原子，它受到两个间位氮原子吸电性的影响最小，人们常称嘧啶中的5-位碳原子为“芳香”碳原子，因为它保持了较多的苯环的芳香性质，如溴化反应（亲电取代反应)仅能发生在5-位上；然而，其他基团在5-位上的亲电取代反应，只有当嘧啶环上至少有一个较强的供电子基团时，才能较顺利地发生。反之，正因为5-位碳原子的芳香性，嘧啶中其他碳原子上的卤素均易被亲核取代（或称亲核置换），而5-位卤素则不能发生。嘧啶环上的5-位最易发生亲电取代反应，即最易在5-位引入吸电子基团，如硝基，亚硝基等。5-位有吸电子基团，会使密啶环上其他位置更缺电子，从而更易发生亲核取代反应，如2，4-二氯-5-硝基嘧啶，在0℃即能使一个氯原子被氨基所取代，得到4-氨基-2-氯-5-硝基嘧啶。
以上结论大致符合所计算得到的嘧啶电子分布图（见结构中右图式），图中的数值与正负号表示嘧啶分子中的每个原子相对于苯环上的π电子所获得或失去的数值，2-和4-位有可观的电子密度下降，而5-位仅有轻度电子密度减少。
另外，当嘧啶环上的2-位，4-位或6-位上有羟基、巯基和氨基时，可以分别互变异构为氧基（oxo）、硫基（thio）和亚氨基（imino），即有一个h原子流动于c和上述三个杂原子（o，s，n）上。这样，如对2-羟基嘧啶进行烷基化时，能得到n或o-烷基化混合产物。同样，当4-或6-位上有上述杂原子之一时，5-位上的c一h亦有产生这样互变异构的可能，但几率较少。在分子内互变异构方面，巴比妥酸是一个很特别的例子，它有五种互变异构的可能性（见下图式）。
根据x光结构测定，巴比妥酸晶体以ⅷ式为主要存在形式，故巴比妥酸有5，5-二烷基化衍生物。但巴比妥酸具有酸性，故它也常以ⅶ形式出现。
（二）亲电取代反应嘧啶环上卤化反应是引入其他基团的基础反应，要使卤化反应能顺利进行，缺电子的嘧啶环上至少需存在一个供电子基团，这样才能在温度较高的氯水溶液中或溴-乙酸中分别进行氯化和溴化。在一般条件下，直接用碘不能使嘧啶碘化，较好地应该用氯化碘或者n-碘琥珀酸亚胺作碘化剂。在上述的卤化反应中，卤代都是优先发生在5-位碳原子上。
嘧啶环上的硝化反应只有在环上存在两个推电子基团时才可在温和条件下进行，并且也才能得到较高的产率。当仅有一个羟基或氨基时，硝化反应需在较强烈的反应条件下才能进行，如需在90℃下长时间加热，用硝酸钠和浓硫酸作硝化剂。实践证明，-或6-位上的供电基团对5-位硝化的帮助优于2-位上的供电基。
嘧啶环也能和芳香重氮盐反应形成5-芳香偶氮衍生物（见图3-18)，在这里必须再次强调，这一反应仅发生在有两个（或以上）供电基团的嘧啶环上。5-芳香偶氮化合物可用ni粉催化加氢还原，氢解，而得到5-氨基化合物，收率较高，后处理方便，可以认为这是制备5-氨基化合物的较好的方法之一。
嘧啶的亚硝化反应已经获得广泛的应用，因为它是在5-位上引入氨基的第一步反应，但为了使该反应在良好条件下进行，嘧啶环上必须存在三个供电子基团。在特殊情况下有两个供电子基团也可进行亚硝化，然而要付出副反应多和低产率的代价。在嘧啶化学中，在5-位上引入氨基是很重要的，它是制备5，6-二氨基嘧啶的重要步骤，而5，6-二氨基嘧啶又是制备嘌呤和蝶啶的关键原材料。5-亚硝基经还原可方便地得到氨基，在这方面，2，4，5，6-四氨基嘧啶（67）的合成是一个极具经典的例子。化合物67可通过2，4，6-三氨基嘧啶的亚硝化，这步反应几乎能获得定量产率的亚硝化产品，随后，经还原得到67，有效的还原剂有连二亚硫酸盐，硫化物，或zn/h2so4，但在工业上最好用催化加氢还原的方法，因为，这是一个易获得较纯产品的途径（见图3-19）。
在5-位上的氧化反应同样也需嘧啶环上至少有两个供电基团的先决条件，如在埃尔布斯过硫酸盐氧化反应中，需用如化合物68（4-羟基-6-氨基嘧啶）的嘧啶作原料，在过硫酸钾作用下，于碱性溶液中产生嘧啶的5-硫酸盐，然后经水解得到5-羟基嘧啶衍生物（69），这是制备5-羟基嘧啶的较好方法（图3-20）。
此外，用于制备酚醛的reimer-tiemann反应（应用chcl3/koh或naoh）也可应用于嘧啶中具芳香性的5-位碳上的醛基化，即合成嘧啶-5-醛基（70）（见图3-21）。在制备化合物70时，其原料的4-位或6-位上需有羟基。
最后需介绍的是mannich反应（ch2o/r2nh）在嘧啶的亲电取代反应中的应用（见图3-21），以甲醛和有机胺作反应原料，可得到5-亚甲基胺衍生物（71）。
要在嘧啶的5-位上发生亲电取代反应，嘧啶环上至少需有两个供电基团存在，这已成为一个必需的条件。通过亲电取代反应，可以获得许多5-位修饰的核苷碱基，同时也为制备各种嘌呤和蝶啶类化合物提供原料。
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