雜環化合物（Heterocyclic 化合物）是指成環的原子除碳外還含有雜原子共同參與的一類有機化合物，常見的雜原子有硫、氮、氧等。雜環化合物可以主要分為單雜環和稠雜環，其中最常見包括五元和六元雜環及苯并[a]芘雜環、雜環并雜環等。五元雜環化合物有呋喃、噻吩、吡咯等，六元雜環化合物有吡啶、嘧啶等，稠環雜環化合物有吲哚、喹啉、蝶啶等。
一般雜環化合物通常為芳香雜環化合物，能形成閉環共軛體系，因此具有不同程度的芳香性和特殊的結構、性質。在雜環化合物中常見的相對分子質量較小的雜環，絕大多數為液體，個別的為固體，都具有特殊氣味，且多大數不溶于水，易溶于有機溶劑。雜環化合物具有不同程度的芳香性，但由于雜原子的電負性使電子云密度分布不均勻，其芳香性都比苯小，穩定性比苯差。雜環化合物主要能發生親電取代反應和加成反應，部分雜環化合物還能發生氧化反應，具有酸堿性。
雜環化合物的種類繁多，數量龐大，在自然界分布極為廣泛。許多天然雜環化合物在動、植物體內起著重要的生理作用。如植物進行光合作用的葉綠素、動物血液中的血紅素、參與制造骨髓紅細胞的維生素B12、核酸中的堿基等都含有雜環結構。
雜環化合物的應用范圍極其廣泛，涉及多個領域。其中在合成藥物中，約90%以上的藥物為雜環化合物，如特效抗結核藥物異煙肼，滅滴蟲性陰道炎藥物甲硝唑等；在化工領域中可作為化工原料或溶劑；雜環化合物可用作天然香料或在天然食品中增香；還存在于天然或人工合成染料中。
發現歷史
四氧嘧啶是1818年布魯格納泰利（Brugnatelli）在研究氧化尿酸時合成的第一種。1832年時，德貝賴納（Dobereiner）發現糠醛，當時是將糠和淀粉用硫酸和二氧化錳作用得到的，之后福恩斯（Fownes）從米糠制得，糠醛由此而得名。喹啉存在于煤焦油中，1834年人們首次從煤焦油中分離出啉，不久后用堿干餾抗瘧藥奎寧也得到喹啉，并因此而得名；龍格（Friedlib Ferdinand Runge）從骨焦油中分離出吡咯。1870年到1882年，舍勒（Scheele）制得呋喃；梅爾（Meyer）發現了噻吩；人們首次從甜菜的糖蜜中分離得到四甲基吡嗪及其同系物。到1928年，從咖啡中檢出甲基吡、2,5-甲基吡嗪和2,6-二甲基吡嗪。
到二十世紀三十年代拜耳斯坦有機化學手冊記載的雜環化合物數目，約占當時已知的數十萬種有機化合物的三分之一，到1971年，已知的數百萬種有機化合物中，有一半以上是雜環化合物。隨著雜環化合物數目的迅速增加，其種類也越來越復雜。雜原子由O、S、N擴展到許多金屬和非金屬元素（如溴、碘、、、磷、錫、鉛、鋅等）。雜環的大小，由早期只有五、六元擴展到三、四元小雜環和七、八、九元中雜環以及十元以上的大雜環。雜環中所含的雜原子，由只有一個擴展到多個，這些雜原子可以相同也可以不相同。每個化合物所含環的數目，也由初期的單環擴展到稠環，即雜環與雜環稠合或與碳環稠合，形成了數目龐大的雜環化合物體系。
分類方法
根據雜環的個數與連接方式的不同，雜環化合物可以分為單雜環和稠雜環。單雜環中最常見、最穩定的雜環是五元雜環和六元雜環。其中五元雜環包括呋喃、噻吩、吡咯、吡唑、咪唑、噻唑等；六元雜環包括吡啶、α-吡喃、β-吡喃、噠嗪、嘧啶和吡嗪等。稠雜環又可以分為苯并[a]芘雜環和雜環并雜環。苯并[a]芘雜環包括苯并呋喃、吲哚、喹啉、苯并咪唑、苯并噻唑和酞嗪等；雜環并雜環有嘌呤和蝶啶等。
部分五元雜環：
部分六元雜環：
部分苯并雜環：
部分雜環并雜環：
按照雜原子的不同可分為氧雜環、硫雜環、氮雜環等：
根據雜原子的個數可分為含有一個雜原子的雜環和含有兩個或兩個以上雜原子的雜環。如含一個雜原子的雜環有呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、吡喃、苯并喃和吲等；含兩個雜原子或兩個以上雜原子的雜環有吡唑、咪唑、噻唑、噠嗪、嘧啶、噻嗪、苯并咪唑、苯并噻唑和嘌呤等。
命名方法
習慣命名法
雜環化合物的命名比較復雜。現廣泛應用的是按國際理論和應用化學聯合會IUPAC（1979）命名原則規定，保留特定的45個雜環化合物的俗名和半俗名，并以此為命名的基礎。中國采用“音譯法”，按照英文名稱的讀音，選用同音漢字加“口”旁組成音譯名，其中“口”代表環的結構。
系統命名法
雜環母環的編號規則
當雜環上連有取代基時，為了標明取代基的位置，必須將雜環母體編號。雜環母體的編號原則是：
對于含一個雜原子的雜環，從雜原子開始編號。
對于含兩個或多個雜原子的雜環，編號時應使雜原子位次盡可能小，并按O、S、NH、N的優先順序決定優先的雜原子。
有特定名稱的稠雜環的編號分為幾種情況，有按其相應的稠環化合物的母環編號，如喹啉、異喹啉、吖啶等的編號。有從一端開始編號，共用碳一般不編號，編號時注意雜原子的號數字盡可能小，并遵守雜原子的優先順序，如吩噻嗪的編號。還有些具有特殊規定的編號，如嘌呤。
雜環中擁有最多數目的非聚集雙鍵后，環中仍然有飽和的碳原子或氨原子，則這個飽和的原子上所連接的氫原子稱為“標氫”。用其編號加H（大寫斜體）表示。若雜環上尚未含有最多數目的非聚集雙鍵，則多出的氫原子稱為添加氫。命名時要指出氫的位置及數目，全飽和時可不標明位置。
取代雜環化合物的命名
當雜環上連有取代基時，先確定雜環母體的名稱和編號，然后將取代基的名稱連同位置編號以詞頭或詞尾形式寫在母體名稱前或后，構成取代雜環化合物的名稱。
基本環與附加環的確定
絕大多數稠雜環無特定名稱，可看成是兩個單雜環并合在一起，并以此為基礎進行命名。稠雜環命名時，先將稠合環分為兩個環系，一個環系定為基本環或母環，另一個為附加環或取代部分。命名時附加環名稱在前，基本環名稱在后，中間用“并”字相連。
基本環選擇原則：碳環與雜環組成的稠雜環，選雜環為基本環，如苯并呋喃（選呋喃為基本環）；由大小不同的兩個雜環組成的稠雜環，以大環為基本環，如吡咯并吡啶（選吡啶為基本環）；大小相同的兩個雜環組成的稠雜環，基本環按所含雜原子N、O、S順序確定，如噻吩并呋喃（選呋喃為基本環）；兩環大小相同、雜原子個數不同時，選雜原子多的為基本環，雜原子數目也相同選雜原子種類多的為基本環，如吡啶并嘧啶（選嘧啶為基本環）；環大小、雜原子個數都相同時，以稠合前雜原子編號較低者為基本環，如咪唑并吡唑（選吡唑為基本環）；當稠合邊有雜原子時，共用雜原子同屬于兩個環。在確定基本環和附加環時，均包含該雜原子，再按上述規則選擇基本環。
稠合邊的表示方法
稠合邊（即共用邊）的位置是用附加環和基本環的位號來共同表示的。基本環按照原雜環的編號順序，將環上各邊用英文字母（a、b、c等）表示（1，2之間為a；2，3之間b等依此類推），附加環按原雜環的編號順序，以阿拉伯數字標注各原子。當有選擇時，應使稠合邊的編號盡可能小。表示稠合邊位置時，在方括號內，阿拉伯數字在前，英文字母在后，中間用短線相連。阿拉伯數字排列順序以英文字母順序為準，相同時數字從小到大，相反時從大到小。
周邊編號
為了標示稠雜環上的取代基、官能團或氫原子的位置，需要對整個稠雜環的環系進行編號，稱為周邊編號或大環編號。其編號原則是：盡可能使所含的雜原子編號最低，在保證編號最低的前提下，按O、S、NH、N的順序編號；共用雜原子都要編號，共用碳一般不編號；在不違背前兩條規則的前提下，編號時應使共用雜原子位號盡可能低，使所有氫原子的總位號盡可能小。
性質
物理性質
溶解性
絕大多數有機化合物易溶于有機溶劑，難溶于水（相似相溶）。有機溶劑是指能作為溶劑的有機物，如苯、四氯化碳、乙醚和乙醇等。對于一些雜環化合物，由于結構中雜原子的未共用電子對參與了環系共軛，失去或減弱與水分子形成氫鍵的可能，因此難溶于水，易溶于有機溶劑；而一些雜環化合物中的未共用電子對能與水分子形成氫鍵，增加了其在水中的溶解度。如吡咯、呋喃和噻吩的雜原子上的未共用電子對參與π-體系共軛，失去了與水分子形成氫鍵的條件，因此它們都不易溶于水。含有兩個雜原子的五元雜環化合物吡唑、咪唑等，由于在分子中引入一個氮，它有未參加共軛的未共用電子對，可以和水分子形成氫鍵，因此增加了溶解度。當五元雜環與苯稠合時，由于在分子中增加了疏水基團，使水溶性大為減小，如苯并咪唑的水溶性小于咪唑。吡啶分子具有高水溶性是由于分子具有較大的極性，其氮上的未共用電子對可以與水形成氫鍵。喹啉和異喹啉分子中由于增加了憎水性的苯環，故水溶性比吡啶顯著降低。
熔沸點
常見的相對分子質量較小的雜環化合物絕大多數為液體，個別為固體。雜環化合物的熔沸點受分子間作用力和氫鍵的影響，如吡咯的沸點比噻吩和呋喃的沸點高，這是因為吡咯結構中的雜原子N使得吡咯的分子間除了有分子間作用力之外，還有氫鍵的緣故。而咪唑和吡唑分子量相近，但熔沸點差別較大，也是由于咪唑可形成分子間的氫鍵導致的。
顏色
大部分雜環化合物的吸收峰處于紫外區，因此大多數是無色的。如五元雜環化合物的光譜與烯烴有相似之處，較少顯示芳香性特征，六元雜環、稠環芳雜環的紫外光譜與苯系、稠環化合物有相似之處。當環上有生色團或助色團時，會使吸收帶紅移。
化學性質
一般常見的雜環化合物通常為芳香雜環化合物，因多數雜環化合物環系比較穩定不容易開環，具有不同程度的芳香性。如五元雜環呋喃、噻吩、吡咯表現出與苯相似的芳香性。但是，由于它們環中雜原子的電負性不同于碳，使雜環上電子云密度分布不均勻，即環中的單雙鍵只是發生了部分平均化，因此，它們的芳香性都比苯小，穩定性比苯差；六元雜環吡啶也具有一定芳香性，但由于氮的作用，形成“缺π”雜環，這類雜環表現在化學性質上是親電取代反應變難，親核取代變易，氧化反應變難，還原反應變易。
親電取代
富電子芳雜環和缺電子芳雜環均能發生親電取代反應。但是，富電子芳雜環的親電取代反應主要發生在電子云密度更為集中的α位上，且比苯容易；缺電子芳雜環如吡啶的親電取代反應主要發生在電子云密度相對較高的β位上，且比苯困難。吡啶不易發生親電取代，而易發生親核取代，主要進入α位，其反應與1-溴-2-硝基苯類似。雜環化合物的親電反應主要有：鹵代反應、硝化反應、磺化反應和付-克酰基化反應等。稠雜環化合物如喹啉，能發生親電取代反應，其活性比吡啶高，但比苯和低，反應發生在電荷密度較大的苯環上，取代基主要進入喹啉的5位和8位。
鹵代反應：呋喃、噻吩、吡咯比苯活潑，一般不需要催化劑，在較低溫度下進行。而吡啶的鹵代反應比苯難，不但需要催化劑，而且要在較高溫度下進行。稠雜環吲哚的共軛體系長，親電取代反應發生在電荷密度大的吡咯環上，取代基主要進入β位，反應時應避免在強酸條件下進行，因強酸能使吲哚環系發生聚合。
硝化反應：呋喃、吡咯和噻吩易被氧化，一般不用硝酸直接硝化，通常用比較溫和的非質子硝化劑（乙酰硝酸），且在低溫下進行。而吡啶的硝化反應需在濃酸和高溫下才能進行，硝基主要進入β位。
磺化反應：吡咯、呋喃不太穩定，磺化時直接使用質子酸會發生聚合或開環，因此需用較溫和的磺化劑（吡啶與三氧化硫的加合物），而噻吩比較穩定，可直接用硫酸進行磺化反應，吡啶在硫酸汞催化和加熱的條件下才能發生磺化反應。
付-克酰基化反應：五元雜環化合物在較溫和的條件下都可發生，而六元雜環吡啶一般不進行付-克基化反應。
加成反應
呋喃、噻吩、吡咯均可進行催化加氫反應，產物是失去芳香性的飽和雜環化合物。呋喃、吡咯可用一般催化劑還原。噻吩中的硫能使催化劑中毒，不能用催化氫化的方法還原，需使用特殊催化劑。吡啶比苯易還原，如鈉和乙醇就可使其氫化，而喹啉催化加氫，氫加在雜環上，表明雜環比苯環易被還原。
酸堿性
含氮化合物的堿性強弱主要取決于氮上未共用電子對與H+的結合能力。在吡咯分子中，由于氮原子上的未共用電子對參與環的共軛體系，使氮原子上電子云密度降低，吸引H+的能力減弱。另一方面，由于這種p-π共軛效應使與氮原子相連的氫原子有離解成H+的可能，所以吡咯呈弱酸性，可與堿金屬、氫氧化鉀或氫氧化鈉作用生成鹽。而吡啶的氮原子有一對孤對電子未參與共軛，能夠接受H+形成鹽顯示堿性。稠雜環中的吲哚堿性比吡咯弱，酸性比吡咯強；喹啉具有弱堿性，能與強酸作用成鹽；嘌呤既有弱酸性又有弱堿性，能與強堿或強酸作用生成鹽。
氧化反應
部分雜環化合物能發生氧化反應，如呋喃和吡咯就對氧化劑很敏感，在空氣中就能被氧化，環被破壞。噻吩相對要穩定些。吡啶對氧化劑相當穩定，比苯還難氧化，但當吡啶環帶有側鏈時，則會發生側鏈的氧化反應。喹啉與大多數氧化劑不發生反應，但能被強氧化劑（如高錳酸鉀）作用，反應發生在電荷密度大的苯環上，也可被過氧化物氧化成N-氧化物。部分雜環化合物還能在空氣中發生燃燒反應，如呋喃易燃燒、哌啶燃燒生成氮氧化合物等。
其余雜環化合物如三元雜環母核的構象都是一個平面，其穩定性比五、六元雜環小，環上的雙鍵、取代基以及雜原子數目均會影響雜環的穩定性。四元雜環可容納的雜原子和雙鍵比三元雜環多，但它們穩定性很小。對于飽和中大雜環化合物具有脂肪族同型化合物的基本性質，如氮雜環類似仲胺，氧雜環性質似醚等。但一般還應考慮兩種特性，開環聚合的傾向和跨環效應。不飽和中大雜環保留其不飽和性，但比相應的飽和雜環穩定性差，一般不飽和鍵越多越不穩定，但有些能組成閉合共軛體系。
制備方法
提取
呋喃、噻吩和吡咯環系廣泛存在于各種生物體，因此可由天然產物制得這些雜環化合物。例如由稻草、玉米稈等植物莖料制取呋喃衍生物糠醛、呋喃甲酸等，并由此獲得呋喃。工業上通過分離煤焦油能得到噻吩和吡咯。含氮的六元雜環化合物吡啶也是從煤焦油中分離出來的。
合成
合成雜環化合物的方法很多，一般是將雜環解剖成兩部分，用常見的一些加成、縮合等反應，由脂肪族或芳香族化合物合成。雜環所帶的取代基，通常是由脂肪族化合物引進，再經轉化。如：噻吩的工業制法可由丁烷和硫高溫反應得到。
嘧啶環的合成途徑主要是1,3-二羰基化合物與二胺縮合，其中常用的二胺有、硫脲、胍、等。常用的1,3-二基化合物可以是丙二酸酯、β-酮酸酯、β-二酮等。
喹啉及其衍生物的合成方法是斯克勞普（Skraup）合成法，用苯胺（或其他芳香胺）、丙三醇（或α,β-不飽和醛、）、硫酸、1-溴-2-硝基苯（或砷酸、五氧化二砷）共熱。
吲哚環系的合成方法為費歇爾合成法，即用苯在酸催化下加熱重排，消除一分子氨得到吲哚衍生物。氯化鋅、三氟化硼、多聚磷酸是常用的催化劑，通常先使用醛或酮與等摩爾苯肼反應生成苯腙，然后進行重排和消除反應。
自然分布
雜環化合物種類繁多，數量龐大，多數具有生物活性，在自然界中分布廣泛。如：吡咯衍生物是一類重要的五元氮雜環化合物，在生物體的生長、發育、能量轉換以及彼此間各種信息的傳遞、死亡、腐爛等過程中都有參與。其中最重要的吡咯衍生物是含有四個吡咯環和四個次甲基交替相連組成的復雜共軛體系卟吩環，其取代物稱為卟啉族化合物。
血紅素、葉綠素都是卟啉族化合物，它們具有相同的基本骨架，但在血紅素中環絡合的金屬原子是Fe，葉綠素中環絡合的金屬原子是Mg。自然界中的葉綠素主要是葉綠素a和葉綠素b兩種物質的混合物，它們的區別在于環上的R基不同。血紅素能與蛋白質結合生成血紅蛋白，其功能是在血液中運送氧氣和二氧化碳。葉綠素是綠色植物進行光合作用所必需的催化劑，光合作用的實質是綠色植物將太陽的光能轉化成化學能的過程。而噻吩的天然衍生物中的維生素H，又稱為生物素H或輔酶R，是屬于維生素B族的水溶性維生素。它是合成維生素的必要物質，是脂肪和蛋白質正常代謝不可缺少的物質，也是維持正常成長、發育及健康必要的營養素，且無法由人工合成，只能從食物中獲取。嘌呤及其衍生物廣泛存在于動植物體內，如存在于起著合成蛋白質和遺傳信息作用的核酸和核苷酸中，核酸中的另外兩個堿基就是嘌呤衍生物。此外，具有興奮作用的植物性生物堿咖啡因、茶堿、可可堿都含有嘌呤環系。苯并吡喃的衍生物包括黃酮和異黃酮，黃酮和異黃酮及其衍生物組成了黃酮體。黃酮體是一種分布很廣的黃色色素，許多是天然藥物的有效成分，黃酮體常和它們的糖苷共存于植物中。
應用
醫藥領域
許多藥物，包括天然藥物和人工合成藥物都含有雜環化合物，如合成抗菌藥呋喃妥因抗菌譜較廣，對大多數革蘭陽性菌及陰性菌（金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、表皮葡萄球菌及化膿性鏈球菌等）均有抗菌作用，臨床上用于敏感菌所致的尿路感染，腎盂腎炎、尿路感染、膀胱炎及前列腺炎等。噻唑的衍生物芐青霉素是抗生素的一種，能破壞細菌的細胞壁并在細菌細胞的繁殖期起殺菌作用，治療人類疾病。吡啶的衍生物異煙的發明使治療結核病起了根本性的變化。嘧啶的衍生物5-尿嘧啶對多種腫瘤（消化道腫瘤、乳腺癌、卵巢癌等）有一定的療效，單獨或與其他藥物聯合應用于乳腺癌和胃腸道腫瘤手術輔助治療，也用于一些非手術惡性腫瘤的姑息治療；甲氧氨嘧啶則是一種抗菌劑，廣泛用于研究二氫葉酸還原酶，通過原核生物特定二氫葉酸還原酶抑制四氫葉酸合成，其抗菌范圍和磺胺藥相近，與磺胺藥聯合使用時，可增強其療效幾倍到幾十倍。適用于呼吸道感染、老年性慢性支氣管炎、細菌性痢疾、尿路感染、腸炎、傷寒、瘧疾等癥狀。
香料染料
雜環香料包括呋喃、吡咯、吡啶、噻吩、噻唑、吡嗪等，根據美國食用香料和萃取物制造者協會研究，含O、S、N的雜環化合物是可安全使用的香味物質。這些化合物大多數存在于天然香料或天然食品中，本身就是食品香味的微量化學成分，且大多數雜環化合物有極高的氣味強度和極低的察覺闊值，一般為10-6級和 10-9級，所以用量很少就能取得很好的增香效果，被認為是特效化合物，在食品化學中是理想的配料成分。此外，這些香料香氣特征突出，具有強烈的肉香、咖啡香、堅果香、焙烤香和蔬菜香，可以調制成具有特殊風味的食品香精，也可以作為食品增香劑直接應用于食品中，例如呋喃類化合物可以給人以焦糖味、甜味、水果味、堅果味、肉味和焦味印象，而吡咯類則給人以焦香味、奶香味并具有極佳的香味特征。
雜環化合物可用作天然色素，如可以作為紅色、紫色染料的花青素，可作為黃色、橙色的黃酮色素都是苯并吡喃鹽或苯并呋喃酮的衍生物。此外，人工合成的染料中，除偶氮染料、三苯甲烷染料和少數其他類型外，多數也都是雜環化合物，如二苯并噻唑染料、二并吡嗪染料、吲哚染料、酞菁染料、均三嗪活性染料等。
化工生產
雜環化合物是重要的工業原料。如：呋喃的最大用途是用作有機合成原料，如制取四氫呋喃、丁二烯、吡咯和噻吩等，特別是藥物合成的原料和中間體，也可以生產某些除草劑、穩定劑和洗潔精等，還可用作樹脂和油脂的溶劑；噻吩主要用于有機合成，生產塑料、硫化促進劑、阻氧化劑、染料、藥劑和殺蟲劑等；吡咯用于化工合成及化學試劑；喹啉用于制造防腐劑、殺菌劑等；哌啶廣泛應用于有機合成，尤其是藥物的合成，還可用作溶劑、有機合成中間體、ep固化劑、縮合催化劑等；呋喃的衍生物糠醛是良好的溶劑，可以選擇性地從石油、植物油中萃取不飽和組分和含硫化合物，常用于精煉石油，以溶解含硫物質及環烷烴等，還可用于精制脂松香、脫除色素、溶解硝酸纖維等，作為重要的工業原料，可用于合成酚醛樹脂、農藥、藥物等。
毒性危害
雜環化合物雖然應用廣泛，但在其生產與應用過程會產生大量的三廢，尤其是廢水污染嚴重。雜環化合物一般結構穩定，因此此類化合物在環境中性狀穩定，難以降解，其中含氮、含硫的雜環化合物毒性與芳香烴相當，對環境和人體產生危害。
呋喃可經呼吸道、消化道及皮膚吸收，毒性為小鼠吸入LC50120 mg/m3（1小時），對中毒者有麻醉和弱刺激作用，長期接觸者，其手、足可出現黃褐色色素沉著，吸入后可引起中樞神經系統抑制癥狀，過量接觸可出現疲勞、頭痛、頭暈、惡心、血壓降低、胃腸道充血、肝損害、呼吸衰竭等。
吡咯易燃，具刺激性，可經呼吸道、消化道及皮膚吸收，其蒸氣具有麻醉作用并可引起體溫持續升高，受高熱分解釋放出高毒的氮氧化物煙霧，吡咯本身屬于低急性毒類，對中樞神經系統有抑制和麻醉作用，注射染毒，可損傷肝與肺。
喹啉通過呼吸道、消化道和皮膚進入人體，其蒸氣對鼻、喉有刺激性，吸入后引起頭痛、頭暈、惡心，對皮膚、眼睛有刺激性，可引起嚴重的持久性的角膜損傷，口服刺激口腔和胃，其急性毒性大鼠經口LD50為460 mg/kg，兔經皮LD50為590 mg/kg。
吡啶的急性毒性屬低毒類，大鼠急性經口LD50為1580 mg/kg，家兔急性經皮LD50為1121 mg/kg，豚鼠類腹腔注射LD50為870 mg/kg，對人體的上呼吸道、眼、皮膚有強烈的刺激性。
參考資料 >
Pyrimidines and their Benzo Derivatives.Alloxan.2024-04-02
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