2002年 7月 26日 1 四川大学化学学院
第四章 设计更加安全化学品的应用
? 第一节 用硅对碳进行等电排置换设计更
加安全的化学品
? 第二节 设计可生物降解的化学品
? 第三节 设计对水生生物更安全的化学品
? 参考文献
第一节
用硅对碳进行等电排置换
设计 设计安全的化学品
2002年 7月 26日 3 四川大学化学学院
硅是碳的
等电排原子
硅化合物
和碳化合物
的差异
有机硅化合
物的降解和
氧化代谢
硅取代的环
境安全化学
品的例子
2002年 7月 26日 4 四川大学化学学院
碳和硅,
4A族元素,在化学性质上有相似性,
硅和碳都是 4价金属,
能形成四面体结构,
能与碳形成稳定化学键。
? 有机硅化合物存在时间有限
? 杀虫剂
? 例
一、硅是碳的等电排原子
2002年 7月 26日 5 四川大学化学学院
神经传递质乙酰胆碱（ Acetylcholine）的天
然类似物尿烷,是乙酰胆碱的拮抗药,
硅取代物与其对应碳化合物的药剂反应曲
线完全相同，但老鼠实验发现，硅取代物的毒性
要比对应碳化合物的低得多
乙酰胆碱
尿烷
蝇覃碱拮抗剂 （
Muscarinic
Antagonistis）
N
O C H 3
O
O N H 2
O
S i O N H 2
O
2002年 7月 26日 6 四川大学化学学院
O N H C H 3
O
O N H C H 3
OS i
氨基甲酸酯 氨基甲酸酯的硅取 代等电排置换物
(更易于降解
对环境的危害减小 )
对苍蝇有相似的毒性
2002年 7月 26日 7 四川大学化学学院
? 硅形成的双键或三元环化合物在空气及潮气中
均极不稳定
? 硅与氮、氧等杂原子形成的单键是强化学键，
但能水解
? Si－ H键的极化程度大于 C－ H键
? 聚硅烯在空气中稳定存在 more
二、硅化合物和碳化合物的差异
2002年 7月 26日 8 四川大学化学学院
[SiH2－ CH2－ CH2－ SiH2－ CH2－ SiH2－ CH2]n
聚硅乙烯,对空气稳定
H2C=CH2 乙烯稳定
H2Si=CH2 硅乙烯不稳定
[CH
2 CH2 CH2 CH2 CH2CH2]n
聚乙烯,稳定
2002年 7月 26日 9 四川大学化学学院
差异,由于硅原子与碳原子的大小有一定
差异，因此其化学反应性能也有重大差异。
当硅原子与不能饱和碳原子邻近相连
时，化合物是稳定的，但与其碳类似物质相
比，却又会被酸催化而发生 C－ Si键断裂。
因此，在用硅对碳进行等电排置换时
要考虑目标物的使用环境，合理利用这些特
性，这就为设计环境上可降解产物提供了用
武之地。
2002年 7月 26日 10 四川大学化学学院
R S i H + R S i H
2 O R
H
+ S iH O
2002年 7月 26日 11 四川大学化学学院
?非生物降解
?生物氧化
三, 有机硅化合物的降解和氧化代谢
2002年 7月 26日 12 四川大学化学学院
M O S i O H
- n H 2 O
+ n H 2 O
S i O
n
聚硅酮
在水和土壤中能降解
最后产物是硅酸盐
2002年 7月 26日 13 四川大学化学学院
S i
C H
3
C H
3
H
r a p i d S i
C H
3
C H
3
O H
S i
C H
3
C H
3
H
X
C H
3
C H
3
H
X = C,S i
（ 主要产物 ）
H2OH
2002年 7月 26日 14 四川大学化学学院
?例一,DDT的硅取代物
?例二,有机硅杀真菌剂
四、硅取代的环境安全化学品的例子
2002年 7月 26日 15 四川大学化学学院
C l
C
H
C l
C l C l
C l C l
S i
H
C l
C l C l
C l
D D T D D D
DDT的硅等电排取代物
2002年 7月 26日 16 四川大学化学学院
氟苯代硅三唑（ Flusilazole）
代 谢
用途：对谷类防真菌特别有效
第二节
设计可生物降解的化学品
2002年 7月 26日 18 四川大学化学学院
生物降解的
细菌基础
化学结构与
生物降解性
基团贡献法
预测生物
解降能力
设计可生物
降解化学品
的例子
2002年 7月 26日 19 四川大学化学学院
增大分子的可生物降解性是预防污染
的一条十分重要的途径。
? 危害的不可知或不可预测性性,
? 抗拒生物降解的化学品可能具有对生物区
系施展毒性的可能，而这一切并非在其释放于
环境时我们就能完全 知道或预测 。
? 另外，既能长期残留于环境又能发生生物
聚集的化学品应引起我们更大的注意，因为其
含量会由于生物聚集而提高，且用严格的毒性
标准来衡量时表面上无毒性，但可能引发 慢性
的或不可预测的毒性 。
2002年 7月 26日 20 四川大学化学学院
增大化学品的安全性
增大产生的污物的可处理性
? 在水溶液及土壤环境中，有机物的
降解机理主要是 生物降解,这也是现代
污水处理厂水处理的理论基础。
2002年 7月 26日 21 四川大学化学学院
一、生物降解的细菌基础
?生物降解的主角,微生物 （ 主要
是细菌和真菌 ） 是目前在自然界生物降
解中起主要作用的试剂, 无论是从其转
化的物质还是其使物质降解的程度上讲
均是这样 。 众多证据说明, 不能被高级
有机体影响 （ 降解 ） 的大部化学品的降
解是靠微生物来完成的 。
2002年 7月 26日 22 四川大学化学学院
生物降解的主角
? 大多数情况下, 动物排泄出他们不能
再代谢的化学物质, 而植物则趋向于把
他们转化为不溶于水的物质形式以存于
植物中, 而微生物家族则具有分解代谢
多面手的特征, 在食物存在下迅速生长,
高代谢活性和种属多样性特征 。
? 有机物质的最终矿物化主要就是微生
物降解的结果 。
2002年 7月 26日 23 四川大学化学学院
生物降解的过程
? 首先：有机物要通过细胞壁和细胞膜进入
微生物细胞中,
? 这一穿透过程可以是被动的扩散作用也可
以是在某些传输系统的帮助下完成。
? 水溶液中及土壤环境中，有机底物和其他
营养物浓度均很低，这种传输系统的介入就是
必须的。
? 蛋白质、多糖等大的聚合物底物的降解，
是先在细胞外酶作用下降解为小的化合物，这
些化合物可被转移到细胞内。
2002年 7月 26日 24 四川大学化学学院
生物降解的过程
? 进入细胞内后，在细胞内发生的数
百种转化可分为,
? 氧化反应、还原反应,
? 水解反应和
? 联合反应（ Conjugative Reaction）。
? 物质在细胞内到底能发生什么样的
反应取决于其分子结构
2002年 7月 26日 25 四川大学化学学院
微生物利用化合物的基本原理
? 微生物族的分解代谢（ Catabolic）途
径是多种多样的，同时也与环境条件有关。
? 但微生物利用化合物的 基本原理 是
相同的，即分步降解为一个或多个中间物，
这些中间物能进入代谢的中心途径，而总
目标是生成生长需要的碳和能量。
? 有时化合物的部分生物降解会产生有
毒和能长久残留的中间物。
2002年 7月 26日 26 四川大学化学学院
微生物利用化合物的基本原理
? 天然有机化合物能通过其在
适当条件下生长的步骤的逆过
程降解。
? Daley写道：“现在我们有
理由相信生物化学合成的有机
化合物都是可生物降解的。”
2002年 7月 26日 27 四川大学化学学院
幸运代谢
? 许多人造化学品与天然物质相同或相
似, 同时, 人类活动也制造了一些以前
从未见过或自然界中很少见的物质 。 然
而, 其中许多也可被微生物进攻, 这一
现象称为, 幸运代谢, （ Fortuitous
Metabolism ） 或, 无偿代谢,
（ Gratuitous Metabolism） 。
? 原因,降解酶通常对其能降解的自然底
物没有绝对的专一性 。
2002年 7月 26日 28 四川大学化学学院
2.2 Relationship between chemical
structure and bio-degradability
? The bio-degradability of a
substance,which is one of
the properties of the
substance,depends strongly
on its chemical structure,
2002年 7月 26日 29 四川大学化学学院
?The chemical structures which
inhibit biodegradability
? more
?The chemical structures which
favorite biodegradability
? more
?The solubility and bio-
degradability
? more
2002年 7月 26日 30 四川大学化学学院
The molecules having the following structural
characteristics are difficult to be degraded via oxygen
consuming mechanism,
?卤代物（ 尤其是氯化物和氟化物 ）
?支链物质（ 尤其是季碳和季氮或是极度分支的物质,
? 如三聚或四聚丙烯。 ）
?硝基，亚硝基，偶氮基，芳氨基
2.2.1 The chemical structures which
inhibit biodegradability
2002年 7月 26日 31 四川大学化学学院
（一） 不易生物降解的化学结构
?多环残基（ 比如多环芳香烃或稠环芳烃,PAHS）
? 尤其是超过 3元的多环稠环或芳烃。
?杂环残基 比如吡啶环。
?脂肪族醚键（ C―O―C ）
?高取代的化合物
? 比低取代的化合物更不易降解
2002年 7月 26日 32 四川大学化学学院
抗拒生物降解的原因
? 上述结构特征会影响降解酶对物质
的引发作用或影响他们作为底物的能力，
同时阻碍这些物质在细胞内的传输。
? 例如，在苯环上引入氯原子就会使
氧化酶难于进攻苯环，因氧化酶是要利
用亲电的氧作为共存底物（即反应物之
一）。
2002年 7月 26日 33 四川大学化学学院
注意事项
? 上述并未完全列出难于降解物质的
所有特征。
? 另一方面也不能因为某物含有一个
上述基团或原子就推论该物质难于降解。
大多数情况下，增大物质可生物降解性
的机理并不知道。
? 但这并不能妨碍我们应用这些原理
进行设计。
2002年 7月 26日 34 四川大学化学学院
（二） 可生物降解的化学结构
? 具有如下结构特征的
分子,具有较好的生物降解
能力。
2002年 7月 26日 35 四川大学化学学院
?具有水解酶潜在作用位的物质 （比如酯、胺）
?在分子中引入以 羟基,
? 醛基,
? 羧基
? 形式存在的 氧
（二） 可生物降解的化学结构
2002年 7月 26日 36 四川大学化学学院
（二） 可生物降解的化学结构
?存在未取代的 直链烷基
? （尤其是大于 4个碳的直链）
? 和 苯环
? 可受氧化酶进攻
?水中溶解度大
?相对低取代的化合物
2002年 7月 26日 37 四川大学化学学院
含有 可增大降解能力氧的重要性
? 许多化合物尤其是烃类 降解的 第一
步就是由氧化酶作用下向分子结构内引
入氧，而这一步通常是 速度控制步骤 。
即降解的第一步是某种形式的 氧化反应 。
? 如果我们在分子设计过程中已经在
分子中引入 氧，则分子生物降解的可能
性会明显增强。
2002年 7月 26日 38 四川大学化学学院
（三） 物质
水中的溶解度与其可降解性
? 分子骨架结构上的取代基数目和物
质分子的水溶性对物质的可生物降解能
力有较大影响。
? 溶解度可能具有如下一种或多种影
响,
2002年 7月 26日 39 四川大学化学学院
? 1：微生物生物利用度 （ Microbial Bio-availability）
? 不溶性化学品趋于吸附在活性淤泥、沉积
物和土壤上，因而被分隔，许多研究表明，这
会降低其生物降解速度。
条件相同的情况下, 对于水溶性不好的化学品,
引入增大其溶解度的基团可增大其可生物降解性
（三） 物质
水中的溶解度与其可降解性
2002年 7月 26日 40 四川大学化学学院
（三） 物质
水中的溶解度与其可降解性
? 2：溶解速度
? 对溶解度很低的固体物质, 仅溶解了的部
分及分散相才能受到微生物的作用 。
? 溶解速度快的物质被降解的可能性要大一些 。
? 许多微生物能分泌表面活性剂 （ 比如鼠李糖
脂 ） 从而于加速溶解过程 。
2002年 7月 26日 41 四川大学化学学院
（三） 物质
水中的溶解度与其可降解性
? 3：水溶液中的低浓度
? 水中溶解度低于仅每升几毫克或更
少时，这样的浓度实在太低，细胞酶和
传输系统就无法发挥其最佳功能，因此，
也难于生物降解。
2002年 7月 26日 42 四川大学化学学院
三、基团贡献法预测生物解降能力
? R.S.Boethling等用基
团贡献法原理建立了一套
四个模型
2002年 7月 26日 43 四川大学化学学院
? 两个模型用于预测容易降
解的物质和不容易降解的物质。
? 另外两个模型则针对水溶液
中的降解速度作半定量的估价。
三、基团贡献法预测生物解降能力
2002年 7月 26日 44 四川大学化学学院
四、设计可生物降解化学品的
例子
2002年 7月 26日 45 四川大学化学学院
?线性烷基苯磺酸 （ LAS）
?go
?二烷基季铵
?go
?烷基酚乙氧基化物 （ APES）
?go
?表 4-1
2002年 7月 26日 46 四川大学化学学院
1．线性烷基苯磺酸 Linear
Alkylbenzene Sulfonates（ LAS）
? 肥皂
? ?
?人造烷基苯磺酸表面活性剂（ ABS）
? ?
? 四聚丙烯获得的 ABS
日
用
化
学
品
表
面
活
性
剂
2002年 7月 26日 47 四川大学化学学院
表面活性剂四聚丙烯基苯磺酸盐（ TPBS）,
TPBS不能完全降解
2002年 7月 26日 48 四川大学化学学院
线性烷基苯磺酸 LAS苯代替 TPBS,
C H 3
S O 3 HC H 3 ( C H 2 ) n,n = 7 - 1 1
LAS表面活性剂在污水处理厂能完全降解
2002年 7月 26日 49 四川大学化学学院
2．二烷基季铵
（ Dialkyl Quaternaries）
? 50多年前,Domagk发现，在简单
的季铵上引入长的烷基后，其对生物的
危害性大为改善。
? 表面活性剂
? 杀虫剂
? 手工业
? 铺路，油井探路，矿物浮选等
? 但目前的主要市场是织物柔软剂
2002年 7月 26日 50 四川大学化学学院
QACs有 66%由三类物质组成,分别是,
1) 二烷二铵盐,
2002年 7月 26日 51 四川大学化学学院
2) 咪唑季铵盐,
N
N
C H 3 ( C H 2 ) n
C H 3
n = 1 4 - - 1 6
H
+ N ( C H 2 ) n C H 3
O
2002年 7月 26日 52 四川大学化学学院
3) 羟乙基乙铵翁季铵盐,
C H 3 ( C H 2 ) n N N
C H 3
H O
N ( C H 2 ) n C H 3
OO n = 1 4 - - 1 6
HH +
目前 DHTDMAC已被后两类 QACs取代
2002年 7月 26日 53 四川大学化学学院
QACs使用后大都要排向市政排
污处理系统
积物柔软剂市场上主要还是销售二烷基二甲铵盐类 QAC
物质，即氨化二氢化动物脂二甲基氨铵（ dihydrogeated
tallow dimethyl ammonium chloride简记为 DHTDMAC）。
DHTDMAC在废水处理系统中及环
境中吸附在固体物质上
DHTDMAC并不发生生物降解。
DHTDMAC在水环境中降解速度
很低，而它又有较大的生态毒性。
2002年 7月 26日 54 四川大学化学学院
目前 DHTDMAC已被后两类
QACs取代。
使用新的柔软剂后，不仅
其从废水中除去的费用会降低，
而且新的化合物中由于引入了
新的化学键类型，形成了可水
解的胺键，因而生物降解速度
也更快。
2002年 7月 26日 55 四川大学化学学院
? 在上述羟乙基铵翁季铵盐
的基础上, 在分子中引入脂
键以取代酰胺键, 则得到一
个更易降解的化合物, 可用
作织物整理剂 。
2002年 7月 26日 56 四川大学化学学院
2002年 7月 26日 57 四川大学化学学院
3．烷基酚乙氧基化物
（ alkylphenol ethoxylates）
? 烷基酚乙氧基化物（ APES）是两类主
要非离型表面活性剂的一类。
? APE广泛用于包括织物加工，聚合发泡、
印刷、金属清洁、石油钻井及纸张制造等
工业过程。
? 壬基酚乙氧基化物（ Nonylphenol
ethoxylates，简称为 NPEs）是 APEs中的
主要产品，壬基酚乙氧基化物在美国 APE
生产中占 75%（ 1980年）。
2002年 7月 26日 58 四川大学化学学院
( O C H 2 C H 2 )C H 3
C H 3C H 3C H 3
O Hn
n = 1 2 - - 1 4
APEs大部分带有支链,
APEs尤其是 NPE引发的环境问题是复杂
的
2002年 7月 26日 59 四川大学化学学院
争论
? 仍引起争论。
? 大部分注意力集中在单、双乙氧基
壬基酚加合物 NPIEO（ n=1）和 NP2EO
（ n=2）上
2002年 7月 26日 60 四川大学化学学院
C H 3
O C H 2 C H 2 O H
C H 3 C H 3 C H 3
N P 1 E O N P 2 E O
C H 3
O C H 2 C H 2 O C H 2 C H 2 O H
C H 3 C H 3 C H 3
单、双乙氧基壬基酚加合物 NPIEO（ n=1） 和
NP2EO（ n=2） 是 NPE降解过程中生成的较稳定
的中间物,
2002年 7月 26日 61 四川大学化学学院
争论
? NPIEO,NP2EO和壬基酚本身对水生
生物有极强的毒性,
? 长链的母体 NPEs（ OCH2CH2的数目可
达 30-50，常见的为 12~14）化合物的毒性
则小得多。
? 最近有关于壬基酚,NP2EO及相关化合
物为鱼雌激素的报道。
? 当用直链烷基取代支链烷基后，物质的
可降解速度肯定会加快。
2002年 7月 26日 62 四川大学化学学院
APE
% Biodegradation
Linear Branched
C8AEE9
71 46 C8APE9,含有 9个乙
氧基的壬
基酚 51 49
C APE
65 25
C9APE9,
含有 9个
乙氧基
65 30
88 55
57 33
66 32
表 4-1 不同壬基酚的生物降解百分数
2002年 7月 26日 63 四川大学化学学院
基酚
C9APE9
65 25
C9APE9,
含有 9个
乙氧基
的壬基
酚
65 30
88 55
57 33
66 32
75 0
62 10
60 18
0~50 0
89 75
第三节
设计对水生生物
更安全的化学品
2002年 7月 26日 65 四川大学化学学院
水生生物在生态系统
中扮演着其独特的角色
取食者和
捕猎者的生存
构成了直到人
的食物链
化学品对水生生物的致命危害
2002年 7月 26日 66 四川大学化学学院
化学品对水生生物的致命危害
化学品对水生生物的致命危害
有非特征的和特征的两类
? 非特征的（ Non-Specific）
? 或曰 麻醉性的（ Narcosis）
? 和
? 特征的（ Specific）
2002年 7月 26日 67 四川大学化学学院
麻醉性
? 化学品的麻醉型毒性与其在水生生
物膜中的扩散情况有关。
? 如果细胞或细胞膜中化学品的浓度
高到一定值，就会对细胞功能产生非特
征性干扰（ Non-Specific Perturbations）。
? 如果扩散进入细胞或通过细胞膜的
化学品的浓度超过一定阈值，甚至会引
起死亡。
2002年 7月 26日 68 四川大学化学学院
麻醉性
? 因细胞膜的脂肪含量较高，
故非极性脂溶性化学品比脂不溶
性化学品更易穿越，因此，通过
麻醉机理致毒的非极性物质的相
对毒性与其脂溶性有关，这与气
体麻醉剂类似。
2002年 7月 26日 69 四川大学化学学院
特征的
? 有些化学品本身或其代谢产物可以
与细胞大分子发生某种特定的化学反应，
这些物质除产生麻醉作用外还会有额外
的毒性，称为特征型。
? 比如，如果一个化学品能与各种蛋
白质（如酶,DNA）等形成共价键，则
可预测它具有特征型毒性。比如腈、亲
电剂等，就对水生生物有特征毒性。
2002年 7月 26日 70 四川大学化学学院
利用构效
关系预测
水生毒性
结构和物
理化学性
质的调变
对分子结构
进行修饰
2002年 7月 26日 71 四川大学化学学院
一,
利用构效关系
预测水生毒性
2002年 7月 26日 72 四川大学化学学院
? 许多工业化学品对人和环境
有严重的毒性。
? 立法,
? 1976年，美国国会通过了
,毒物控制提案（ Toxic
Substance Control Act简记为
TSCA）。
2002年 7月 26日 73 四川大学化学学院
? 美国以前的其它法律条文是评价在化
学品引入商用后的化学危险性,即，先
使用，后评价其危险性；
? 而 TSCA的主要任务之一就是在一个新
化学物质投入商用之前表征和充分了解其
危险性。
? 按 TSCA的规定，美国国家环保署必须
在 90天内 对提交的新物质是否对人类健康
和环境有危险作出明确的判断。
2002年 7月 26日 74 四川大学化学学院
? 美国国家环保署 对大多数物
质进行判断时均是利用构效关系
(简记为 SARs)进行预测构效关系
定量化，可更为精确地预测毒性。
2002年 7月 26日 75 四川大学化学学院
? 对水生生物毒性的定量构效关系
（ Quantitative Structare-Activity
Relationships，简记为 QSARS）中，
常用的物理性质 有：辛醇 — 水分配系数
（通常用对数表达为 logP）、水溶性、
解离常数（ pKa）、分子量、胺氮百分
数（ Percent Amine Nitrogen）（不
包括苯胺类及在 PH=7时无碱性的胺，
如酰胺脲素等）。
2002年 7月 26日 76 四川大学化学学院
二,
结构
和
物理化学性质的调变
2002年 7月 26日 77 四川大学化学学院
辛醇 — 水分配系数（ log P或 log Kow）
?辛醇 — 水分配系数（ log P）,
? 是用来描述物质脂溶性
的一个参数，也是常用于估
价有机化学品对水生生物毒
性的物理化学性质,log P通
常能与生物活性很好地关联
起来。
2002年 7月 26日 78 四川大学化学学院
辛醇 — 水分配系数（ log P或 log Kow）
对于仅表现出 麻醉型毒性的非离子有机化合物,
log P≤5时，其致死性和慢性毒性均会随脂溶性
呈指数增大（不包括染料、聚合物、表面活性剂）；
log P＞ 5时，毒性随脂溶性指数减少，因此对生
物活性降低；
log P在 5-8之间 时，长期接触害这类非离子型
有机化合物呈现慢性毒性；
log P≥ 8时，长期接触也表现不出毒性，因为
此时水溶性很差，化学品变得没有生物活性。
2002年 7月 26日 79 四川大学化学学院
辛醇 — 水分配系数（ log P或 log Kow）
? 有一些麻醉型毒物如脂肪醇, 氯代苯, 丙酮,
二硫化物和一些, 反应性, 化学品如丙烯酸盐, 酯
等到 log P=6时仍是剧毒的 。
? 还有一些, 反应性, 化学品如脂肪胺, 表面活
性剂等则到 log＞ 8时仍表现出剧毒 。
? Log P很小的化学品由于没有足够的脂溶性, 因
而不能进入水生生物的细胞膜, 故没有生物活性,
毒性很小,
? 比如, 分子量＜ 200,log P≤2的物质对水生生
物的毒性就很小, 其 LC50＞ 100mg/L。
2002年 7月 26日 80 四川大学化学学院
依据辛醇 — 水分配系数的设计原则
? 我们在设计化学品时
? 可使其分子量＜ 200且 Log P＜ 2
? 或者 Log P＞ 8而不管其分子量, 就可获
得对水生生物无毒的化学品 。
? 要降低 Log P,可在分子中引入极性基
团如羧基, 醇羟基, 或其他水溶性基团 。 另
一方面, 也可通过引入亲脂性 （ 疏水性
Hydrophobic） 基团如卤素, 芳环, 烷基等
以增大 log P。
2002年 7月 26日 81 四川大学化学学院
水溶性
?麻醉型化学品,
?当其水溶性很 差 （比如＜ 1ppb）
或
?有 高 的水溶性时,
?其生物活性都会很低，因而对水
生生物也就 表现不出明显的毒性 。
2002年 7月 26日 82 四川大学化学学院
特戊醇在水中的溶解度,比其异构体正戊醇在水
中的溶解度高 98g/L,因而毒性要低得多,
CH3CH2C（ OH） (CH3)2 CH3CH2CH2CH2CH2OH
a＋ 98 g/L a g/L
2002年 7月 26日 83 四川大学化学学院
氨基丁酸比 2-氨基丙酸一个甲基
在水中的溶解度高 44g/L,
CH3CH2CH（ NH2） COOH CH3CH（ NH2） COOH
b＋ 44 g/L b g/L
2002年 7月 26日 84 四川大学化学学院
在萜烯类分子中引进一个醇基，可使其对水生生
物的毒性降低 40倍，同时还有其他优点。
表 4-2 萜烯醇与 d-苎烯的性质对比
? 萜烯醇 d-苎烯
? 闪点 ＞ 200℉ 128℉
? 气味 可控 随氧化程度增大
? 水生生物毒性 41mg/L 1 mg/L
? 可再生原料 √ 天然需求
? 水溶性 Kb＞ 500 Kb＜ 100
? 乳化温度 RL.pt＞ 212℉ 128℉
? 可加热否 √ √
? 毒性 较低 中等毒性
? 留残留物否 不 留 （ 氧化后要残留 ）
2002年 7月 26日 85 四川大学化学学院
（ 3）分子大小和分子量
? 分子量增大，毒性就会减少。
? 分子量大的分子不能扩散通过水生生物的呼吸膜
? 分子体积增大，毒性减小 。
? 体积大的分子不易穿过水生生物的呼吸膜所致
? 分子量大于 1000的聚合物的体积也较大。
? 一些横截直径较大的物质单体的体积也
较大。
? 最小横截直径大于 1nm的分子不易于在
水生生物呼吸器官中扩散和穿越。
2002年 7月 26日 86 四川大学化学学院
例子
? 天然酞菁染料
（ Phthalocyanine Dyes）的
最小横截直径大于 1nm,
? 因此，它对水生生物毒
性就很小，即致命毒性和慢
性毒性均很小。
2002年 7月 26日 87 四川大学化学学院
设计原则
?增大 其最小横截直径
?增大 分子量
2002年 7月 26日 88 四川大学化学学院
（ 4）离子对
? 一些盐类的正负离子之间相
互作用很强，它们会以强离子对
的形式存在，从而使得它们在水
中解离度很小或根本不离解，造
成其水溶性很低，对水生生物没
有毒性。
2002年 7月 26日 89 四川大学化学学院
? 如果使一个可溶的带电物质转变为
强离子对以后仍能保持其使用性质，则
形成的物质对水生生物的毒性会减小。
? 一些杀虫剂也配成阳离子表面活性
剂或阴离子表面活性剂中性复合物以增
大生物活性,
? 如果能把这些杀虫剂配成阴离子表
面活性剂：阳离子表面活性剂 =1,1的强
离子对，则表面活性剂的毒性可以降低
100倍，这样配成的强离子对分散杀虫剂
就比表面活性剂 /分散剂体系对水生生物
安全。
2002年 7月 26日 90 四川大学化学学院
（ 5）两性离子（ Zwitterions）
? 两性离子物质只要不是表面活
性剂，其正负电荷是相等的，则一
般说来对水生生物毒性很小。
? 通常两性离子物质都不是表面
活性剂，故对鱼、水蚤毒性很小。
? 但是也发现一些两性离子物质
在浓度小于 10mg/L时对海藻有毒。
2002年 7月 26日 91 四川大学化学学院
如酸性蓝 1号就是两性离子物质 。
酸性蓝 1号
N ( C H
2
C H
3
)
2
N ( C H
2
C H
3
)
2
N a O
3
S
S O
3
a c i d b l u e 1
2002年 7月 26日 92 四川大学化学学院
（ 6）螯合作用（ Chelation）
? 螯合作用,
? 金属离子与有机分子键合的过程，
通常有机分子中有两个或两个以上的供
电原子（如 O,N等）与金属离子形成
多个共价键（如与 Co2+,Ni2+,Cu2+、
Zn2+,Mg2+,Ca2+等）最终形成环状结
构，通常 O,N配体与金属键合,形成五
元或六元环，有机分子中的 S原子也能
与金属配位形成稳定的四元环。
2002年 7月 26日 93 四川大学化学学院
毒性来源及消除
? 能与多价金属发生螯合作用的物质
在软水中通常对水藻有毒, 因它会与水
藻需要的营养物质如 Ca2+,Mg2+,Fe2+
等螯合而使水藻失去营养 。
? 因此, 若在将螯合剂释放到有水藻
的软水中之前, 就应让其与多价金属螯
合, 或将其释放到中等硬度的水中, 就
可减轻它对水藻 （ algal） 的毒性 。
2002年 7月 26日 94 四川大学化学学院
?三,
?进行
?分子结构
?修饰
2002年 7月 26日 95 四川大学化学学院
1、麻醉（ Narcosis）
与超额毒性（ Excess Toxicity）
? 特征毒性型化学药品,
? 有环氧化物、卤化烃、丙烯酸酯、醛类、
酯类、二硝基苯、硫醇等亲电性物质。
? 如前所述，亲电性化学物质可与细胞内
大分子中的亲核部位形成共价键，由于这些
共价键的生成，使得细胞发生不能再复原的
变化，因而引发 不可逆的毒性 。
2002年 7月 26日 96 四川大学化学学院
超额毒性（ Excess Toxicity）,
? 所谓超额毒性（ Excess
Toxicity）是指特征毒性型物质表现
出的超过由麻醉模型 QSAR推测值
的毒性。即若由基于麻醉型毒性的
QSAR推测的毒性为 TAP，而其实
测值为 TAT，则
超额毒性 = TAT－ TAP
2002年 7月 26日 97 四川大学化学学院
实 例
? 含有烯丙基的物质
? 含有炔丙基醇的物质等也表现出超额毒性。
? 用普通脂肪族胺的
? QSAR预测出
? 三炔丙基胺
? 的毒性仅为
? 其实测毒性的
? 1/84
2002年 7月 26日 98 四川大学化学学院
表 4-3 一些物质的 LC50预测值与实测值的对比
物质 10g P LC50 mg/L
额 预 预 /实
3-氯 -2-甲基丙烯 1.85 14 156 11
1.3-二氯 -2-丙醇 0.20 680 11800 17
乙酸苯基乙二醇单乙醚酯 1.13 69 1480 22
烯丙基氯 0.65 160 4090 26
3-氯 -1-丙醇 0.007 170 13700 81
乙二醇醋酸单甲酯 0.12 190 13000 69
氯化丙烯（ 1.2-环氧丙烷） -0.27 170 6600 97
丙烯酰胺（ acrylamide） 0.86 460 83000 180
烯丙基缩水甘油醚 － 0.33 78 37600 480
环氧乙烷 － 0.79 90 43800 490
烯丙基溴 1.59 ＜ 0.8 390 ＞ 490
1-氯 2,3-环氧丙烷 － 0.21 23 22700 990
烯丙醇 － 0.25 1 15700 15700
季戊四醇烯丙醚 － 1.6 100 1840000 18400
丙烯醛 (acrolein) 0.10 ＜ 0.08 6500 81000
2002年 7月 26日 99 四川大学化学学院
2、利用结构修饰减轻超额毒性
? 可以通过结构修饰从空间上阻碍
有毒分子亲电部分与目标细胞分子
的作用而降低其特征性毒性，即将
毒性减小到仅剩麻醉型。
? 比如，用环状结构脂肪族胺的
胺基隐藏起来，其毒性就仅为用对
脂肪族胺适用的 QSARs预测的毒性
低 25倍
2002年 7月 26日 100 四川大学化学学院
N H
C H 3
C H 3
C H 3C H
3C H 3
C H 3
C H 3
对水生生物的毒性比丙烯酸乙酯低了许多,
但两物质有基本相同的商业用途
2002年 7月 26日 101 四川大学化学学院
对水生生物的毒性比丙烯酸乙酯低了许多,
但两物质有基本相同的商业用途
甲丙烯酸羟乙酯,
由于甲基的位阻
H2C=C（ CH3） COOCH2CH 2OH CH2=CHCOOCH2CH2OH
LC50=227 mg/L 4.8 mg/L
2002年 7月 26日 102 四川大学化学学院
苯酚苯环上引起一个羧基后,
其对水生生物的毒性也大为减少,O H
O H
C O O H
96·h LC50=47mg/L 96·h LC50＞ 1000mg/L
pH=7 pH=7
2002年 7月 26日 103 四川大学化学学院
3、染料
? 对于带电荷染料（阴离子、阳离子及两性）,
? 没有发现物理化学性质
? 与对水生生物毒性之间有
? 定量的 QSAR。
? 对这些染料毒性进行分析时,
? 常用 SAR方法
2002年 7月 26日 104 四川大学化学学院
（ 1）中性染料（ Nonionic Dyes
or Neutral Dyes）
? 关于麻醉型和特
征毒性对水生生物的
毒性的讨论也适用于
中性染料
2002年 7月 26日 105 四川大学化学学院
怎样设计中性染料
? 使其水溶性小于 1ppb（ Log P高，熔点高）。
此时，物质的生物活性变得几乎为零，因此，饱
和接触及长期接触均不会有毒性。
? 如果需要中性染料溶解于水, 我们可重新设
计染料分子, 在其上加上极性取代基 。
? 比如四个或更多的乙氧基, 醇基, 酮基等,
当然加上基团后还是要考虑毒性效果 。
? 中性染料分子量大于 1000,或最小横截直径
大于 1nm,不管其水溶性怎么样, 则对鱼和水蚤
毒性均很小 。
2002年 7月 26日 106 四川大学化学学院
阴离子染料通常又称为酸性染料,
指的是含有一个或多个酸基团的染料,
N N
C l
S O 3 HH O 3 S
（ 2）阴离子染料（ Anionic Dyes）
2002年 7月 26日 107 四川大学化学学院
（ 2）阴离子染料（ Anionic Dyes）
? 大部分酸性染料结构中均含有蒽醌、萘酚和二
硝基苯，当其分子量大于 1000时，观察不到对水生
生物的毒性。
? 单酸或不与金属螯合的二酸分子量小于 1000时，
对鱼类、无脊椎动物、海藻有中等毒性,
? 含有偶氮键的染料则仅有中等毒性,
? 有大于 3个酸基的酸性染料对鱼和水蚤毒性很
小。
? 大部分酸染料，不管其所含羰基为几个，对水
藻都有中等毒性，它会由于间接掩蔽而表现出毒性，
这一间接毒性是由于染料的颜色引起的。
2002年 7月 26日 108 四川大学化学学院
阴离子染料的设计
? 设计单酸和二酸染料的最佳方法是
增大其分子量，便其分子量大于 1000，
这样可以不管分子是否含有毒性基团，
比如二硝基、苯酚基、蒽醌等，分子对
鱼类和无脊椎动物毒性均很小。
? 如若我们需要染料的分子量小于
1000，则可增大酸基团的数目，使酸基
团的数目大于 3。
2002年 7月 26日 109 四川大学化学学院
（ 3）金属化酸性染料（ Metalized Acid Dyes）
? 即与金属螯合的酸性染料
? 大部分金属化的染料都是酸性
染料。其中被螯合的金属通常为铁、
铜、钴、铝、镍、铬和锌等。
? 这类染料通常含有未络合的金
属，这些金属中铝、铬、钴等对水
生生物是有毒的。
2002年 7月 26日 110 四川大学化学学院
NN N
N
N
N
N
N
C u
S O
3
N a
S O
3
N a
S O
3
N a
S O
3
N a
典型的金属化酸性染料
2002年 7月 26日 111 四川大学化学学院
金属化酸性染料 的设计
? 可增大其分子量其＞ 1000
? 尽可能用 Fe,Zn,Cu等
而不用铬、钴、铝金属等,
? 尽可能让体系中没有螯
合的金属减到最小
2002年 7月 26日 112 四川大学化学学院
（ 4）阳离子染料（ Cationic Dyes）
阳离子染料,
是指分子量从 200到 1000以上的
以各种形式带有正电荷的染料
其正电荷可以在分子的碳、氮、氧、硫等原子
上。
? 许多阳离子染料对水生生物均有极大的毒性,
? 定域化阳离子染料分子会与水生生物膜表面结
合，使膜功能瓦解，从而引发毒性，而且一旦被吸
收还会引发内中毒
? 离域化的阳离子染料对水生生物的, 表面毒性,
要低一些，主要是内中毒而不是表面膜功能瓦解。
2002年 7月 26日 113 四川大学化学学院
N
S NN
C H 3
C H 3
C H 3
C H 3
X
离域化阳离子染料,
在有些阳离子染料分子中，其正电
荷并不定域在某一个原子上，而是与其
它杂原子，比如 N,S,O,P等形成共轭
体系，这类染料称为离域化阳离子染料。
2002年 7月 26日 114 四川大学化学学院
N N
N
C H 2 C H 2 N
C H 3
C H 3
C H 3
C H 3
X
定域化阳离子染料,
定域化阳离子染料是指一个或几
个正电荷集中在某一特定的原子上
2002年 7月 26日 115 四川大学化学学院
阳离子染料的分子结构与毒性
? 离域化阳离子染料,
? 分子量＞ 1000的离域化阳离子染料通常比
分子量小于 1000的阳离子染料毒性低,
? 因水生生物不易吸收这些大分子染料。
? 对离域化含 氮 阳离子染料，如果 N原子参
与了对正电荷的分散作用，则 N原子上的取代
程度对毒性有影响，含一级 N原子者通常比含
有二级及以上 N原子的毒性低，即取代越多，
毒性越大。
2002年 7月 26日 116 四川大学化学学院
阳离子染料的分子结构与毒性
?定域化阳离子染料,
? 在其他条件不变的情况下，其
毒性会因其所带正电荷的降低而降
低。即含一个正电荷的阳离子染料
的毒性比带两个正电荷的阳离子染
料低，带二个正电荷的阳离子染料
又比带三个正电荷的阳离子染料毒
性更低，以此类推。
2002年 7月 26日 117 四川大学化学学院
阳离子染料的设计
? 设计更加安全的 离域化阳离子染料,
? 增大其分子量，使其大于 1000；
? 另一方法就是保证 N的取代程度很低,
? 即限制 N上的取代。
? 设计更加安全的 定域化阳离子染料,
? 减少染料所带正电荷的方法使其毒性减少或
? 重新对其加以设计，使其成为两性染料。
? 使其 log P大于 8，则其水溶性和生物活性均会
很小。
? 但这未必普遍适用，因阳离子的性质使得分子
有很大极性和溶解度，这很难通过结构改变来使其
减少
2002年 7月 26日 118 四川大学化学学院
（ 5）两性染料（ Amphoteric Dyes）
? 两性染料,
? 可表现出酸的行为也可表现出碱的行为，分
子内同时含有带正电和带负电的基团,
? 两性染料的毒性,
? 与染料分子中阴阳离子之比有关,
? 如果分子中阴离子多一些，则毒性会低一些
（即靠近酸性的染料毒性低一些）。
? 例如在两性染料分子中加入一个羰基可降
低其对鱼和水蚤的毒性。
2002年 7月 26日 119 四川大学化学学院
C H 3
C
O
N
N
O
C
O
C H 3
C H 3
C H 3 C H
3
C H 3
C H 3
C
O
N
N
C O O
C H 3
典型的两性染料
2002年 7月 26日 120 四川大学化学学院
? 阴离子数大于阳离子数（电荷数）
? 磺酸基优于羧酸基
? 尽可能使分子量大于 1000
? 尽可能增大分子的最小横截直径
课堂作业,
总结设计对水生生物更加安全
的染料化学品应遵循的原则
2002年 7月 26日 121 四川大学化学学院
4、表面活性剂（ Surfactants）
? 表面活性剂既含有亲水基团又含有
亲脂基团，因此表面活性剂在水中能形
成胶束。
? 表面活性剂会破坏水环境与生物膜
之间的界面，因此对水生生物有毒。即
表面活性剂具有破坏生物膜的能力，使
生物膜松驰，不再能发挥其功效，造成
水生生物中毒。
2002年 7月 26日 122 四川大学化学学院
表面活性剂也可分为四种,
S O 3 XC H 3 ( C H 2 ) 1 1C H 3 ( C H 2 ) 1 1
C H 2 O H
C H 3
N H X
阳离子表面活性剂 阴离子表面活性剂
C H 3 ( C H 2 ) 1 1 N H ( C H 3 ) C H 2 C O OC H 3 ( C H 2 ) 1 1 ( C H 2 C H 2 O ) X H
中性表面活性剂 两性表面活性剂
2002年 7月 26日 123 四川大学化学学院
? 表面活性剂的 毒性 与表
面活性剂分子中亲水部分和
亲脂部分的平衡有关 。
? 亲水部分越大, 其毒性
越强 。
? 如果亲水部分与亲脂部
分相比要小一些, 则毒性会
有一定减小 。
2002年 7月 26日 124 四川大学化学学院
? 熔点高于 35℃ 的表面活性剂仅在热水中
（ 比如 50℃ ） 自分散, 在自然环境温度
（ 20℃ ） 下并不会表现出表面活性剂的功能 。
故通常 没有急性毒性而仅有慢性毒性 。
? 分子量小于 1000的表面活性剂既会表现
出, 表面毒性, Surface Active Toxicity,也
对水生生物表现出, 内毒性, （ Systemically
Toxic）, 还会引发水生生物慢性中毒 。
? 分子量大于 1000的表面活性剂则因其难
于吸收, 故仅表现出, 表面毒性, 。
2002年 7月 26日 125 四川大学化学学院
表面活性剂的设计
? 在表面活性剂分子亲水部分和
亲脂部分之间联结一个过氧基团
― O― O―
? 在表面活性剂分子亲水和亲油
部分之间引进一个酯 ― COO―
? 表面活性剂分子使其分子量大
于 1000
2002年 7月 26日 126 四川大学化学学院
5、多阴离子单体（ Polyanionic Monomers）
?多阴离子单体,
? 分子量小于 1000，在一短烷基链上
含有一个或多个酸基，化学性质象螯合
剂的一类物质。
? 多酸盐（比如钠盐）通常有很大的
水溶性，因此对水和水蚤（ Daphinds）
的毒性较低，但对绿水藻（ Green Algal）
有中等毒性。
2002年 7月 26日 127 四川大学化学学院
O O C C H
2
N
C H
2
C H
2 N
NC H
2
C H
2
C H
2
C O O
C H
2
C O O
C H
2
C O O
C H
2
C O O
5 N a
典型的多阴离子单体
2002年 7月 26日 128 四川大学化学学院
多阴离子单体的设计
? 要消除多酸对水藻的毒性, 就要减少其螯合能力
? 减少螯合物能力的方法有,
? 改变酸种类；改变酸基之间的距离 。
? 设计更加安全的多酸的方法有,
? （ 1） 改变酸的种类 （ 即：羰酸, 磺酸, 磷酸等 ）
? （ 2） 改变酸基之间的距离以确定多酸既对水生生
物无毒又仍然可以用作螯合剂 。
? 设计的目标是降低螯合能力, 以降低对水藻的
毒性 。
2002年 7月 26日 129 四川大学化学学院
6、有机金属化物（ Organo-Metallics）
? 许多金属有机化合物, 如防污剂, 杀虫剂
杀菌剂等均对水生生物 有毒 。
? 烷基汞 （ 比如甲基汞 ）, 有机锡 （ 三乙基
锡 ）, 有机铅 （ 四乙基铅 ） 等等毒性很大 。
?设计原则,
? （ 1） 增大 log P,使其＞ 8,
? （ 2） 增大溶点,
? （ 3） 增大分子量使其＞ 1000。
2002年 7月 26日 130 四川大学化学学院
7、无机金属化合物
? 众多无机金属化合物对所有生命形
式均是十分 重要 的
? 生物细胞要吸收这些物质
? 一旦吸收过量就会引发中毒
? 没有什么好的方法 设计更加安全的
无机金属化合物。我们 只能 尽量少用或
不用那些已知对环境有害的无机金属化
合物
参 考 文 献
2002年 7月 26日 132 四川大学化学学院
1,Roger L,Garrett,Designing Safer Chemicls。
Stephen C Devito and Roger L,Garrett,edited
American Chemical Society,Washington,D.C,1996，
2
2,Stephen C Devito,Designing Safer Chemicls,Stephen C Devito and Roger L,Garrett,edited
American Chemical Society,Washington,D.C,
1996,16,
3,王连生，韩塑暌，等编著,分子结构、性质与活性，
化学工业出版社,1997,
2002年 7月 26日 133 四川大学化学学院
第三、四章 作 业
? 一：简述
? 生物放大，毒载体，构效关系,
? 电子等排物，软化学设计,
? 集团贡献法,Ⅰ 相反应和 Ⅱ 相反应
? 麻醉毒性和特征毒性,
? 超额毒性
2002年 7月 26日 134 四川大学化学学院
? 二：在设计安全的化学品时，通常要考
虑哪两个方面？
? 三：人体中毒的途径极其特点是什么？
? 四：举例说明，在了解了有毒物质毒性
机理后，进行分子修饰可大大降低其毒
性。
? 五：由碳、硅元素的化学性质，试讨论
用硅取代碳的可行性及硅取代物的优点
? 六：用辛醇 -水分配系数表征有毒化学品
毒性的一般准则是什么？
2002年 7月 26日 135 四川大学化学学院
? 七：举例说明等电排置换是设计更加安
全化学品的有效方法。
? 八：从分子量、分子体积角度看，应该
怎样设计更加安全的化学品？
? 九：常见可降解和不可降解的基团有哪
些？
? 十：从可生物降解、对水生生物的毒性
角度看，怎样设计更加安全的化学品？
第四章 设计更加安全化学品的应用
? 第一节 用硅对碳进行等电排置换设计更
加安全的化学品
? 第二节 设计可生物降解的化学品
? 第三节 设计对水生生物更安全的化学品
? 参考文献
第一节
用硅对碳进行等电排置换
设计 设计安全的化学品
2002年 7月 26日 3 四川大学化学学院
硅是碳的
等电排原子
硅化合物
和碳化合物
的差异
有机硅化合
物的降解和
氧化代谢
硅取代的环
境安全化学
品的例子
2002年 7月 26日 4 四川大学化学学院
碳和硅,
4A族元素,在化学性质上有相似性,
硅和碳都是 4价金属,
能形成四面体结构,
能与碳形成稳定化学键。
? 有机硅化合物存在时间有限
? 杀虫剂
? 例
一、硅是碳的等电排原子
2002年 7月 26日 5 四川大学化学学院
神经传递质乙酰胆碱（ Acetylcholine）的天
然类似物尿烷,是乙酰胆碱的拮抗药,
硅取代物与其对应碳化合物的药剂反应曲
线完全相同，但老鼠实验发现，硅取代物的毒性
要比对应碳化合物的低得多
乙酰胆碱
尿烷
蝇覃碱拮抗剂 （
Muscarinic
Antagonistis）
N
O C H 3
O
O N H 2
O
S i O N H 2
O
2002年 7月 26日 6 四川大学化学学院
O N H C H 3
O
O N H C H 3
OS i
氨基甲酸酯 氨基甲酸酯的硅取 代等电排置换物
(更易于降解
对环境的危害减小 )
对苍蝇有相似的毒性
2002年 7月 26日 7 四川大学化学学院
? 硅形成的双键或三元环化合物在空气及潮气中
均极不稳定
? 硅与氮、氧等杂原子形成的单键是强化学键，
但能水解
? Si－ H键的极化程度大于 C－ H键
? 聚硅烯在空气中稳定存在 more
二、硅化合物和碳化合物的差异
2002年 7月 26日 8 四川大学化学学院
[SiH2－ CH2－ CH2－ SiH2－ CH2－ SiH2－ CH2]n
聚硅乙烯,对空气稳定
H2C=CH2 乙烯稳定
H2Si=CH2 硅乙烯不稳定
[CH
2 CH2 CH2 CH2 CH2CH2]n
聚乙烯,稳定
2002年 7月 26日 9 四川大学化学学院
差异,由于硅原子与碳原子的大小有一定
差异，因此其化学反应性能也有重大差异。
当硅原子与不能饱和碳原子邻近相连
时，化合物是稳定的，但与其碳类似物质相
比，却又会被酸催化而发生 C－ Si键断裂。
因此，在用硅对碳进行等电排置换时
要考虑目标物的使用环境，合理利用这些特
性，这就为设计环境上可降解产物提供了用
武之地。
2002年 7月 26日 10 四川大学化学学院
R S i H + R S i H
2 O R
H
+ S iH O
2002年 7月 26日 11 四川大学化学学院
?非生物降解
?生物氧化
三, 有机硅化合物的降解和氧化代谢
2002年 7月 26日 12 四川大学化学学院
M O S i O H
- n H 2 O
+ n H 2 O
S i O
n
聚硅酮
在水和土壤中能降解
最后产物是硅酸盐
2002年 7月 26日 13 四川大学化学学院
S i
C H
3
C H
3
H
r a p i d S i
C H
3
C H
3
O H
S i
C H
3
C H
3
H
X
C H
3
C H
3
H
X = C,S i
（ 主要产物 ）
H2OH
2002年 7月 26日 14 四川大学化学学院
?例一,DDT的硅取代物
?例二,有机硅杀真菌剂
四、硅取代的环境安全化学品的例子
2002年 7月 26日 15 四川大学化学学院
C l
C
H
C l
C l C l
C l C l
S i
H
C l
C l C l
C l
D D T D D D
DDT的硅等电排取代物
2002年 7月 26日 16 四川大学化学学院
氟苯代硅三唑（ Flusilazole）
代 谢
用途：对谷类防真菌特别有效
第二节
设计可生物降解的化学品
2002年 7月 26日 18 四川大学化学学院
生物降解的
细菌基础
化学结构与
生物降解性
基团贡献法
预测生物
解降能力
设计可生物
降解化学品
的例子
2002年 7月 26日 19 四川大学化学学院
增大分子的可生物降解性是预防污染
的一条十分重要的途径。
? 危害的不可知或不可预测性性,
? 抗拒生物降解的化学品可能具有对生物区
系施展毒性的可能，而这一切并非在其释放于
环境时我们就能完全 知道或预测 。
? 另外，既能长期残留于环境又能发生生物
聚集的化学品应引起我们更大的注意，因为其
含量会由于生物聚集而提高，且用严格的毒性
标准来衡量时表面上无毒性，但可能引发 慢性
的或不可预测的毒性 。
2002年 7月 26日 20 四川大学化学学院
增大化学品的安全性
增大产生的污物的可处理性
? 在水溶液及土壤环境中，有机物的
降解机理主要是 生物降解,这也是现代
污水处理厂水处理的理论基础。
2002年 7月 26日 21 四川大学化学学院
一、生物降解的细菌基础
?生物降解的主角,微生物 （ 主要
是细菌和真菌 ） 是目前在自然界生物降
解中起主要作用的试剂, 无论是从其转
化的物质还是其使物质降解的程度上讲
均是这样 。 众多证据说明, 不能被高级
有机体影响 （ 降解 ） 的大部化学品的降
解是靠微生物来完成的 。
2002年 7月 26日 22 四川大学化学学院
生物降解的主角
? 大多数情况下, 动物排泄出他们不能
再代谢的化学物质, 而植物则趋向于把
他们转化为不溶于水的物质形式以存于
植物中, 而微生物家族则具有分解代谢
多面手的特征, 在食物存在下迅速生长,
高代谢活性和种属多样性特征 。
? 有机物质的最终矿物化主要就是微生
物降解的结果 。
2002年 7月 26日 23 四川大学化学学院
生物降解的过程
? 首先：有机物要通过细胞壁和细胞膜进入
微生物细胞中,
? 这一穿透过程可以是被动的扩散作用也可
以是在某些传输系统的帮助下完成。
? 水溶液中及土壤环境中，有机底物和其他
营养物浓度均很低，这种传输系统的介入就是
必须的。
? 蛋白质、多糖等大的聚合物底物的降解，
是先在细胞外酶作用下降解为小的化合物，这
些化合物可被转移到细胞内。
2002年 7月 26日 24 四川大学化学学院
生物降解的过程
? 进入细胞内后，在细胞内发生的数
百种转化可分为,
? 氧化反应、还原反应,
? 水解反应和
? 联合反应（ Conjugative Reaction）。
? 物质在细胞内到底能发生什么样的
反应取决于其分子结构
2002年 7月 26日 25 四川大学化学学院
微生物利用化合物的基本原理
? 微生物族的分解代谢（ Catabolic）途
径是多种多样的，同时也与环境条件有关。
? 但微生物利用化合物的 基本原理 是
相同的，即分步降解为一个或多个中间物，
这些中间物能进入代谢的中心途径，而总
目标是生成生长需要的碳和能量。
? 有时化合物的部分生物降解会产生有
毒和能长久残留的中间物。
2002年 7月 26日 26 四川大学化学学院
微生物利用化合物的基本原理
? 天然有机化合物能通过其在
适当条件下生长的步骤的逆过
程降解。
? Daley写道：“现在我们有
理由相信生物化学合成的有机
化合物都是可生物降解的。”
2002年 7月 26日 27 四川大学化学学院
幸运代谢
? 许多人造化学品与天然物质相同或相
似, 同时, 人类活动也制造了一些以前
从未见过或自然界中很少见的物质 。 然
而, 其中许多也可被微生物进攻, 这一
现象称为, 幸运代谢, （ Fortuitous
Metabolism ） 或, 无偿代谢,
（ Gratuitous Metabolism） 。
? 原因,降解酶通常对其能降解的自然底
物没有绝对的专一性 。
2002年 7月 26日 28 四川大学化学学院
2.2 Relationship between chemical
structure and bio-degradability
? The bio-degradability of a
substance,which is one of
the properties of the
substance,depends strongly
on its chemical structure,
2002年 7月 26日 29 四川大学化学学院
?The chemical structures which
inhibit biodegradability
? more
?The chemical structures which
favorite biodegradability
? more
?The solubility and bio-
degradability
? more
2002年 7月 26日 30 四川大学化学学院
The molecules having the following structural
characteristics are difficult to be degraded via oxygen
consuming mechanism,
?卤代物（ 尤其是氯化物和氟化物 ）
?支链物质（ 尤其是季碳和季氮或是极度分支的物质,
? 如三聚或四聚丙烯。 ）
?硝基，亚硝基，偶氮基，芳氨基
2.2.1 The chemical structures which
inhibit biodegradability
2002年 7月 26日 31 四川大学化学学院
（一） 不易生物降解的化学结构
?多环残基（ 比如多环芳香烃或稠环芳烃,PAHS）
? 尤其是超过 3元的多环稠环或芳烃。
?杂环残基 比如吡啶环。
?脂肪族醚键（ C―O―C ）
?高取代的化合物
? 比低取代的化合物更不易降解
2002年 7月 26日 32 四川大学化学学院
抗拒生物降解的原因
? 上述结构特征会影响降解酶对物质
的引发作用或影响他们作为底物的能力，
同时阻碍这些物质在细胞内的传输。
? 例如，在苯环上引入氯原子就会使
氧化酶难于进攻苯环，因氧化酶是要利
用亲电的氧作为共存底物（即反应物之
一）。
2002年 7月 26日 33 四川大学化学学院
注意事项
? 上述并未完全列出难于降解物质的
所有特征。
? 另一方面也不能因为某物含有一个
上述基团或原子就推论该物质难于降解。
大多数情况下，增大物质可生物降解性
的机理并不知道。
? 但这并不能妨碍我们应用这些原理
进行设计。
2002年 7月 26日 34 四川大学化学学院
（二） 可生物降解的化学结构
? 具有如下结构特征的
分子,具有较好的生物降解
能力。
2002年 7月 26日 35 四川大学化学学院
?具有水解酶潜在作用位的物质 （比如酯、胺）
?在分子中引入以 羟基,
? 醛基,
? 羧基
? 形式存在的 氧
（二） 可生物降解的化学结构
2002年 7月 26日 36 四川大学化学学院
（二） 可生物降解的化学结构
?存在未取代的 直链烷基
? （尤其是大于 4个碳的直链）
? 和 苯环
? 可受氧化酶进攻
?水中溶解度大
?相对低取代的化合物
2002年 7月 26日 37 四川大学化学学院
含有 可增大降解能力氧的重要性
? 许多化合物尤其是烃类 降解的 第一
步就是由氧化酶作用下向分子结构内引
入氧，而这一步通常是 速度控制步骤 。
即降解的第一步是某种形式的 氧化反应 。
? 如果我们在分子设计过程中已经在
分子中引入 氧，则分子生物降解的可能
性会明显增强。
2002年 7月 26日 38 四川大学化学学院
（三） 物质
水中的溶解度与其可降解性
? 分子骨架结构上的取代基数目和物
质分子的水溶性对物质的可生物降解能
力有较大影响。
? 溶解度可能具有如下一种或多种影
响,
2002年 7月 26日 39 四川大学化学学院
? 1：微生物生物利用度 （ Microbial Bio-availability）
? 不溶性化学品趋于吸附在活性淤泥、沉积
物和土壤上，因而被分隔，许多研究表明，这
会降低其生物降解速度。
条件相同的情况下, 对于水溶性不好的化学品,
引入增大其溶解度的基团可增大其可生物降解性
（三） 物质
水中的溶解度与其可降解性
2002年 7月 26日 40 四川大学化学学院
（三） 物质
水中的溶解度与其可降解性
? 2：溶解速度
? 对溶解度很低的固体物质, 仅溶解了的部
分及分散相才能受到微生物的作用 。
? 溶解速度快的物质被降解的可能性要大一些 。
? 许多微生物能分泌表面活性剂 （ 比如鼠李糖
脂 ） 从而于加速溶解过程 。
2002年 7月 26日 41 四川大学化学学院
（三） 物质
水中的溶解度与其可降解性
? 3：水溶液中的低浓度
? 水中溶解度低于仅每升几毫克或更
少时，这样的浓度实在太低，细胞酶和
传输系统就无法发挥其最佳功能，因此，
也难于生物降解。
2002年 7月 26日 42 四川大学化学学院
三、基团贡献法预测生物解降能力
? R.S.Boethling等用基
团贡献法原理建立了一套
四个模型
2002年 7月 26日 43 四川大学化学学院
? 两个模型用于预测容易降
解的物质和不容易降解的物质。
? 另外两个模型则针对水溶液
中的降解速度作半定量的估价。
三、基团贡献法预测生物解降能力
2002年 7月 26日 44 四川大学化学学院
四、设计可生物降解化学品的
例子
2002年 7月 26日 45 四川大学化学学院
?线性烷基苯磺酸 （ LAS）
?go
?二烷基季铵
?go
?烷基酚乙氧基化物 （ APES）
?go
?表 4-1
2002年 7月 26日 46 四川大学化学学院
1．线性烷基苯磺酸 Linear
Alkylbenzene Sulfonates（ LAS）
? 肥皂
? ?
?人造烷基苯磺酸表面活性剂（ ABS）
? ?
? 四聚丙烯获得的 ABS
日
用
化
学
品
表
面
活
性
剂
2002年 7月 26日 47 四川大学化学学院
表面活性剂四聚丙烯基苯磺酸盐（ TPBS）,
TPBS不能完全降解
2002年 7月 26日 48 四川大学化学学院
线性烷基苯磺酸 LAS苯代替 TPBS,
C H 3
S O 3 HC H 3 ( C H 2 ) n,n = 7 - 1 1
LAS表面活性剂在污水处理厂能完全降解
2002年 7月 26日 49 四川大学化学学院
2．二烷基季铵
（ Dialkyl Quaternaries）
? 50多年前,Domagk发现，在简单
的季铵上引入长的烷基后，其对生物的
危害性大为改善。
? 表面活性剂
? 杀虫剂
? 手工业
? 铺路，油井探路，矿物浮选等
? 但目前的主要市场是织物柔软剂
2002年 7月 26日 50 四川大学化学学院
QACs有 66%由三类物质组成,分别是,
1) 二烷二铵盐,
2002年 7月 26日 51 四川大学化学学院
2) 咪唑季铵盐,
N
N
C H 3 ( C H 2 ) n
C H 3
n = 1 4 - - 1 6
H
+ N ( C H 2 ) n C H 3
O
2002年 7月 26日 52 四川大学化学学院
3) 羟乙基乙铵翁季铵盐,
C H 3 ( C H 2 ) n N N
C H 3
H O
N ( C H 2 ) n C H 3
OO n = 1 4 - - 1 6
HH +
目前 DHTDMAC已被后两类 QACs取代
2002年 7月 26日 53 四川大学化学学院
QACs使用后大都要排向市政排
污处理系统
积物柔软剂市场上主要还是销售二烷基二甲铵盐类 QAC
物质，即氨化二氢化动物脂二甲基氨铵（ dihydrogeated
tallow dimethyl ammonium chloride简记为 DHTDMAC）。
DHTDMAC在废水处理系统中及环
境中吸附在固体物质上
DHTDMAC并不发生生物降解。
DHTDMAC在水环境中降解速度
很低，而它又有较大的生态毒性。
2002年 7月 26日 54 四川大学化学学院
目前 DHTDMAC已被后两类
QACs取代。
使用新的柔软剂后，不仅
其从废水中除去的费用会降低，
而且新的化合物中由于引入了
新的化学键类型，形成了可水
解的胺键，因而生物降解速度
也更快。
2002年 7月 26日 55 四川大学化学学院
? 在上述羟乙基铵翁季铵盐
的基础上, 在分子中引入脂
键以取代酰胺键, 则得到一
个更易降解的化合物, 可用
作织物整理剂 。
2002年 7月 26日 56 四川大学化学学院
2002年 7月 26日 57 四川大学化学学院
3．烷基酚乙氧基化物
（ alkylphenol ethoxylates）
? 烷基酚乙氧基化物（ APES）是两类主
要非离型表面活性剂的一类。
? APE广泛用于包括织物加工，聚合发泡、
印刷、金属清洁、石油钻井及纸张制造等
工业过程。
? 壬基酚乙氧基化物（ Nonylphenol
ethoxylates，简称为 NPEs）是 APEs中的
主要产品，壬基酚乙氧基化物在美国 APE
生产中占 75%（ 1980年）。
2002年 7月 26日 58 四川大学化学学院
( O C H 2 C H 2 )C H 3
C H 3C H 3C H 3
O Hn
n = 1 2 - - 1 4
APEs大部分带有支链,
APEs尤其是 NPE引发的环境问题是复杂
的
2002年 7月 26日 59 四川大学化学学院
争论
? 仍引起争论。
? 大部分注意力集中在单、双乙氧基
壬基酚加合物 NPIEO（ n=1）和 NP2EO
（ n=2）上
2002年 7月 26日 60 四川大学化学学院
C H 3
O C H 2 C H 2 O H
C H 3 C H 3 C H 3
N P 1 E O N P 2 E O
C H 3
O C H 2 C H 2 O C H 2 C H 2 O H
C H 3 C H 3 C H 3
单、双乙氧基壬基酚加合物 NPIEO（ n=1） 和
NP2EO（ n=2） 是 NPE降解过程中生成的较稳定
的中间物,
2002年 7月 26日 61 四川大学化学学院
争论
? NPIEO,NP2EO和壬基酚本身对水生
生物有极强的毒性,
? 长链的母体 NPEs（ OCH2CH2的数目可
达 30-50，常见的为 12~14）化合物的毒性
则小得多。
? 最近有关于壬基酚,NP2EO及相关化合
物为鱼雌激素的报道。
? 当用直链烷基取代支链烷基后，物质的
可降解速度肯定会加快。
2002年 7月 26日 62 四川大学化学学院
APE
% Biodegradation
Linear Branched
C8AEE9
71 46 C8APE9,含有 9个乙
氧基的壬
基酚 51 49
C APE
65 25
C9APE9,
含有 9个
乙氧基
65 30
88 55
57 33
66 32
表 4-1 不同壬基酚的生物降解百分数
2002年 7月 26日 63 四川大学化学学院
基酚
C9APE9
65 25
C9APE9,
含有 9个
乙氧基
的壬基
酚
65 30
88 55
57 33
66 32
75 0
62 10
60 18
0~50 0
89 75
第三节
设计对水生生物
更安全的化学品
2002年 7月 26日 65 四川大学化学学院
水生生物在生态系统
中扮演着其独特的角色
取食者和
捕猎者的生存
构成了直到人
的食物链
化学品对水生生物的致命危害
2002年 7月 26日 66 四川大学化学学院
化学品对水生生物的致命危害
化学品对水生生物的致命危害
有非特征的和特征的两类
? 非特征的（ Non-Specific）
? 或曰 麻醉性的（ Narcosis）
? 和
? 特征的（ Specific）
2002年 7月 26日 67 四川大学化学学院
麻醉性
? 化学品的麻醉型毒性与其在水生生
物膜中的扩散情况有关。
? 如果细胞或细胞膜中化学品的浓度
高到一定值，就会对细胞功能产生非特
征性干扰（ Non-Specific Perturbations）。
? 如果扩散进入细胞或通过细胞膜的
化学品的浓度超过一定阈值，甚至会引
起死亡。
2002年 7月 26日 68 四川大学化学学院
麻醉性
? 因细胞膜的脂肪含量较高，
故非极性脂溶性化学品比脂不溶
性化学品更易穿越，因此，通过
麻醉机理致毒的非极性物质的相
对毒性与其脂溶性有关，这与气
体麻醉剂类似。
2002年 7月 26日 69 四川大学化学学院
特征的
? 有些化学品本身或其代谢产物可以
与细胞大分子发生某种特定的化学反应，
这些物质除产生麻醉作用外还会有额外
的毒性，称为特征型。
? 比如，如果一个化学品能与各种蛋
白质（如酶,DNA）等形成共价键，则
可预测它具有特征型毒性。比如腈、亲
电剂等，就对水生生物有特征毒性。
2002年 7月 26日 70 四川大学化学学院
利用构效
关系预测
水生毒性
结构和物
理化学性
质的调变
对分子结构
进行修饰
2002年 7月 26日 71 四川大学化学学院
一,
利用构效关系
预测水生毒性
2002年 7月 26日 72 四川大学化学学院
? 许多工业化学品对人和环境
有严重的毒性。
? 立法,
? 1976年，美国国会通过了
,毒物控制提案（ Toxic
Substance Control Act简记为
TSCA）。
2002年 7月 26日 73 四川大学化学学院
? 美国以前的其它法律条文是评价在化
学品引入商用后的化学危险性,即，先
使用，后评价其危险性；
? 而 TSCA的主要任务之一就是在一个新
化学物质投入商用之前表征和充分了解其
危险性。
? 按 TSCA的规定，美国国家环保署必须
在 90天内 对提交的新物质是否对人类健康
和环境有危险作出明确的判断。
2002年 7月 26日 74 四川大学化学学院
? 美国国家环保署 对大多数物
质进行判断时均是利用构效关系
(简记为 SARs)进行预测构效关系
定量化，可更为精确地预测毒性。
2002年 7月 26日 75 四川大学化学学院
? 对水生生物毒性的定量构效关系
（ Quantitative Structare-Activity
Relationships，简记为 QSARS）中，
常用的物理性质 有：辛醇 — 水分配系数
（通常用对数表达为 logP）、水溶性、
解离常数（ pKa）、分子量、胺氮百分
数（ Percent Amine Nitrogen）（不
包括苯胺类及在 PH=7时无碱性的胺，
如酰胺脲素等）。
2002年 7月 26日 76 四川大学化学学院
二,
结构
和
物理化学性质的调变
2002年 7月 26日 77 四川大学化学学院
辛醇 — 水分配系数（ log P或 log Kow）
?辛醇 — 水分配系数（ log P）,
? 是用来描述物质脂溶性
的一个参数，也是常用于估
价有机化学品对水生生物毒
性的物理化学性质,log P通
常能与生物活性很好地关联
起来。
2002年 7月 26日 78 四川大学化学学院
辛醇 — 水分配系数（ log P或 log Kow）
对于仅表现出 麻醉型毒性的非离子有机化合物,
log P≤5时，其致死性和慢性毒性均会随脂溶性
呈指数增大（不包括染料、聚合物、表面活性剂）；
log P＞ 5时，毒性随脂溶性指数减少，因此对生
物活性降低；
log P在 5-8之间 时，长期接触害这类非离子型
有机化合物呈现慢性毒性；
log P≥ 8时，长期接触也表现不出毒性，因为
此时水溶性很差，化学品变得没有生物活性。
2002年 7月 26日 79 四川大学化学学院
辛醇 — 水分配系数（ log P或 log Kow）
? 有一些麻醉型毒物如脂肪醇, 氯代苯, 丙酮,
二硫化物和一些, 反应性, 化学品如丙烯酸盐, 酯
等到 log P=6时仍是剧毒的 。
? 还有一些, 反应性, 化学品如脂肪胺, 表面活
性剂等则到 log＞ 8时仍表现出剧毒 。
? Log P很小的化学品由于没有足够的脂溶性, 因
而不能进入水生生物的细胞膜, 故没有生物活性,
毒性很小,
? 比如, 分子量＜ 200,log P≤2的物质对水生生
物的毒性就很小, 其 LC50＞ 100mg/L。
2002年 7月 26日 80 四川大学化学学院
依据辛醇 — 水分配系数的设计原则
? 我们在设计化学品时
? 可使其分子量＜ 200且 Log P＜ 2
? 或者 Log P＞ 8而不管其分子量, 就可获
得对水生生物无毒的化学品 。
? 要降低 Log P,可在分子中引入极性基
团如羧基, 醇羟基, 或其他水溶性基团 。 另
一方面, 也可通过引入亲脂性 （ 疏水性
Hydrophobic） 基团如卤素, 芳环, 烷基等
以增大 log P。
2002年 7月 26日 81 四川大学化学学院
水溶性
?麻醉型化学品,
?当其水溶性很 差 （比如＜ 1ppb）
或
?有 高 的水溶性时,
?其生物活性都会很低，因而对水
生生物也就 表现不出明显的毒性 。
2002年 7月 26日 82 四川大学化学学院
特戊醇在水中的溶解度,比其异构体正戊醇在水
中的溶解度高 98g/L,因而毒性要低得多,
CH3CH2C（ OH） (CH3)2 CH3CH2CH2CH2CH2OH
a＋ 98 g/L a g/L
2002年 7月 26日 83 四川大学化学学院
氨基丁酸比 2-氨基丙酸一个甲基
在水中的溶解度高 44g/L,
CH3CH2CH（ NH2） COOH CH3CH（ NH2） COOH
b＋ 44 g/L b g/L
2002年 7月 26日 84 四川大学化学学院
在萜烯类分子中引进一个醇基，可使其对水生生
物的毒性降低 40倍，同时还有其他优点。
表 4-2 萜烯醇与 d-苎烯的性质对比
? 萜烯醇 d-苎烯
? 闪点 ＞ 200℉ 128℉
? 气味 可控 随氧化程度增大
? 水生生物毒性 41mg/L 1 mg/L
? 可再生原料 √ 天然需求
? 水溶性 Kb＞ 500 Kb＜ 100
? 乳化温度 RL.pt＞ 212℉ 128℉
? 可加热否 √ √
? 毒性 较低 中等毒性
? 留残留物否 不 留 （ 氧化后要残留 ）
2002年 7月 26日 85 四川大学化学学院
（ 3）分子大小和分子量
? 分子量增大，毒性就会减少。
? 分子量大的分子不能扩散通过水生生物的呼吸膜
? 分子体积增大，毒性减小 。
? 体积大的分子不易穿过水生生物的呼吸膜所致
? 分子量大于 1000的聚合物的体积也较大。
? 一些横截直径较大的物质单体的体积也
较大。
? 最小横截直径大于 1nm的分子不易于在
水生生物呼吸器官中扩散和穿越。
2002年 7月 26日 86 四川大学化学学院
例子
? 天然酞菁染料
（ Phthalocyanine Dyes）的
最小横截直径大于 1nm,
? 因此，它对水生生物毒
性就很小，即致命毒性和慢
性毒性均很小。
2002年 7月 26日 87 四川大学化学学院
设计原则
?增大 其最小横截直径
?增大 分子量
2002年 7月 26日 88 四川大学化学学院
（ 4）离子对
? 一些盐类的正负离子之间相
互作用很强，它们会以强离子对
的形式存在，从而使得它们在水
中解离度很小或根本不离解，造
成其水溶性很低，对水生生物没
有毒性。
2002年 7月 26日 89 四川大学化学学院
? 如果使一个可溶的带电物质转变为
强离子对以后仍能保持其使用性质，则
形成的物质对水生生物的毒性会减小。
? 一些杀虫剂也配成阳离子表面活性
剂或阴离子表面活性剂中性复合物以增
大生物活性,
? 如果能把这些杀虫剂配成阴离子表
面活性剂：阳离子表面活性剂 =1,1的强
离子对，则表面活性剂的毒性可以降低
100倍，这样配成的强离子对分散杀虫剂
就比表面活性剂 /分散剂体系对水生生物
安全。
2002年 7月 26日 90 四川大学化学学院
（ 5）两性离子（ Zwitterions）
? 两性离子物质只要不是表面活
性剂，其正负电荷是相等的，则一
般说来对水生生物毒性很小。
? 通常两性离子物质都不是表面
活性剂，故对鱼、水蚤毒性很小。
? 但是也发现一些两性离子物质
在浓度小于 10mg/L时对海藻有毒。
2002年 7月 26日 91 四川大学化学学院
如酸性蓝 1号就是两性离子物质 。
酸性蓝 1号
N ( C H
2
C H
3
)
2
N ( C H
2
C H
3
)
2
N a O
3
S
S O
3
a c i d b l u e 1
2002年 7月 26日 92 四川大学化学学院
（ 6）螯合作用（ Chelation）
? 螯合作用,
? 金属离子与有机分子键合的过程，
通常有机分子中有两个或两个以上的供
电原子（如 O,N等）与金属离子形成
多个共价键（如与 Co2+,Ni2+,Cu2+、
Zn2+,Mg2+,Ca2+等）最终形成环状结
构，通常 O,N配体与金属键合,形成五
元或六元环，有机分子中的 S原子也能
与金属配位形成稳定的四元环。
2002年 7月 26日 93 四川大学化学学院
毒性来源及消除
? 能与多价金属发生螯合作用的物质
在软水中通常对水藻有毒, 因它会与水
藻需要的营养物质如 Ca2+,Mg2+,Fe2+
等螯合而使水藻失去营养 。
? 因此, 若在将螯合剂释放到有水藻
的软水中之前, 就应让其与多价金属螯
合, 或将其释放到中等硬度的水中, 就
可减轻它对水藻 （ algal） 的毒性 。
2002年 7月 26日 94 四川大学化学学院
?三,
?进行
?分子结构
?修饰
2002年 7月 26日 95 四川大学化学学院
1、麻醉（ Narcosis）
与超额毒性（ Excess Toxicity）
? 特征毒性型化学药品,
? 有环氧化物、卤化烃、丙烯酸酯、醛类、
酯类、二硝基苯、硫醇等亲电性物质。
? 如前所述，亲电性化学物质可与细胞内
大分子中的亲核部位形成共价键，由于这些
共价键的生成，使得细胞发生不能再复原的
变化，因而引发 不可逆的毒性 。
2002年 7月 26日 96 四川大学化学学院
超额毒性（ Excess Toxicity）,
? 所谓超额毒性（ Excess
Toxicity）是指特征毒性型物质表现
出的超过由麻醉模型 QSAR推测值
的毒性。即若由基于麻醉型毒性的
QSAR推测的毒性为 TAP，而其实
测值为 TAT，则
超额毒性 = TAT－ TAP
2002年 7月 26日 97 四川大学化学学院
实 例
? 含有烯丙基的物质
? 含有炔丙基醇的物质等也表现出超额毒性。
? 用普通脂肪族胺的
? QSAR预测出
? 三炔丙基胺
? 的毒性仅为
? 其实测毒性的
? 1/84
2002年 7月 26日 98 四川大学化学学院
表 4-3 一些物质的 LC50预测值与实测值的对比
物质 10g P LC50 mg/L
额 预 预 /实
3-氯 -2-甲基丙烯 1.85 14 156 11
1.3-二氯 -2-丙醇 0.20 680 11800 17
乙酸苯基乙二醇单乙醚酯 1.13 69 1480 22
烯丙基氯 0.65 160 4090 26
3-氯 -1-丙醇 0.007 170 13700 81
乙二醇醋酸单甲酯 0.12 190 13000 69
氯化丙烯（ 1.2-环氧丙烷） -0.27 170 6600 97
丙烯酰胺（ acrylamide） 0.86 460 83000 180
烯丙基缩水甘油醚 － 0.33 78 37600 480
环氧乙烷 － 0.79 90 43800 490
烯丙基溴 1.59 ＜ 0.8 390 ＞ 490
1-氯 2,3-环氧丙烷 － 0.21 23 22700 990
烯丙醇 － 0.25 1 15700 15700
季戊四醇烯丙醚 － 1.6 100 1840000 18400
丙烯醛 (acrolein) 0.10 ＜ 0.08 6500 81000
2002年 7月 26日 99 四川大学化学学院
2、利用结构修饰减轻超额毒性
? 可以通过结构修饰从空间上阻碍
有毒分子亲电部分与目标细胞分子
的作用而降低其特征性毒性，即将
毒性减小到仅剩麻醉型。
? 比如，用环状结构脂肪族胺的
胺基隐藏起来，其毒性就仅为用对
脂肪族胺适用的 QSARs预测的毒性
低 25倍
2002年 7月 26日 100 四川大学化学学院
N H
C H 3
C H 3
C H 3C H
3C H 3
C H 3
C H 3
对水生生物的毒性比丙烯酸乙酯低了许多,
但两物质有基本相同的商业用途
2002年 7月 26日 101 四川大学化学学院
对水生生物的毒性比丙烯酸乙酯低了许多,
但两物质有基本相同的商业用途
甲丙烯酸羟乙酯,
由于甲基的位阻
H2C=C（ CH3） COOCH2CH 2OH CH2=CHCOOCH2CH2OH
LC50=227 mg/L 4.8 mg/L
2002年 7月 26日 102 四川大学化学学院
苯酚苯环上引起一个羧基后,
其对水生生物的毒性也大为减少,O H
O H
C O O H
96·h LC50=47mg/L 96·h LC50＞ 1000mg/L
pH=7 pH=7
2002年 7月 26日 103 四川大学化学学院
3、染料
? 对于带电荷染料（阴离子、阳离子及两性）,
? 没有发现物理化学性质
? 与对水生生物毒性之间有
? 定量的 QSAR。
? 对这些染料毒性进行分析时,
? 常用 SAR方法
2002年 7月 26日 104 四川大学化学学院
（ 1）中性染料（ Nonionic Dyes
or Neutral Dyes）
? 关于麻醉型和特
征毒性对水生生物的
毒性的讨论也适用于
中性染料
2002年 7月 26日 105 四川大学化学学院
怎样设计中性染料
? 使其水溶性小于 1ppb（ Log P高，熔点高）。
此时，物质的生物活性变得几乎为零，因此，饱
和接触及长期接触均不会有毒性。
? 如果需要中性染料溶解于水, 我们可重新设
计染料分子, 在其上加上极性取代基 。
? 比如四个或更多的乙氧基, 醇基, 酮基等,
当然加上基团后还是要考虑毒性效果 。
? 中性染料分子量大于 1000,或最小横截直径
大于 1nm,不管其水溶性怎么样, 则对鱼和水蚤
毒性均很小 。
2002年 7月 26日 106 四川大学化学学院
阴离子染料通常又称为酸性染料,
指的是含有一个或多个酸基团的染料,
N N
C l
S O 3 HH O 3 S
（ 2）阴离子染料（ Anionic Dyes）
2002年 7月 26日 107 四川大学化学学院
（ 2）阴离子染料（ Anionic Dyes）
? 大部分酸性染料结构中均含有蒽醌、萘酚和二
硝基苯，当其分子量大于 1000时，观察不到对水生
生物的毒性。
? 单酸或不与金属螯合的二酸分子量小于 1000时，
对鱼类、无脊椎动物、海藻有中等毒性,
? 含有偶氮键的染料则仅有中等毒性,
? 有大于 3个酸基的酸性染料对鱼和水蚤毒性很
小。
? 大部分酸染料，不管其所含羰基为几个，对水
藻都有中等毒性，它会由于间接掩蔽而表现出毒性，
这一间接毒性是由于染料的颜色引起的。
2002年 7月 26日 108 四川大学化学学院
阴离子染料的设计
? 设计单酸和二酸染料的最佳方法是
增大其分子量，便其分子量大于 1000，
这样可以不管分子是否含有毒性基团，
比如二硝基、苯酚基、蒽醌等，分子对
鱼类和无脊椎动物毒性均很小。
? 如若我们需要染料的分子量小于
1000，则可增大酸基团的数目，使酸基
团的数目大于 3。
2002年 7月 26日 109 四川大学化学学院
（ 3）金属化酸性染料（ Metalized Acid Dyes）
? 即与金属螯合的酸性染料
? 大部分金属化的染料都是酸性
染料。其中被螯合的金属通常为铁、
铜、钴、铝、镍、铬和锌等。
? 这类染料通常含有未络合的金
属，这些金属中铝、铬、钴等对水
生生物是有毒的。
2002年 7月 26日 110 四川大学化学学院
NN N
N
N
N
N
N
C u
S O
3
N a
S O
3
N a
S O
3
N a
S O
3
N a
典型的金属化酸性染料
2002年 7月 26日 111 四川大学化学学院
金属化酸性染料 的设计
? 可增大其分子量其＞ 1000
? 尽可能用 Fe,Zn,Cu等
而不用铬、钴、铝金属等,
? 尽可能让体系中没有螯
合的金属减到最小
2002年 7月 26日 112 四川大学化学学院
（ 4）阳离子染料（ Cationic Dyes）
阳离子染料,
是指分子量从 200到 1000以上的
以各种形式带有正电荷的染料
其正电荷可以在分子的碳、氮、氧、硫等原子
上。
? 许多阳离子染料对水生生物均有极大的毒性,
? 定域化阳离子染料分子会与水生生物膜表面结
合，使膜功能瓦解，从而引发毒性，而且一旦被吸
收还会引发内中毒
? 离域化的阳离子染料对水生生物的, 表面毒性,
要低一些，主要是内中毒而不是表面膜功能瓦解。
2002年 7月 26日 113 四川大学化学学院
N
S NN
C H 3
C H 3
C H 3
C H 3
X
离域化阳离子染料,
在有些阳离子染料分子中，其正电
荷并不定域在某一个原子上，而是与其
它杂原子，比如 N,S,O,P等形成共轭
体系，这类染料称为离域化阳离子染料。
2002年 7月 26日 114 四川大学化学学院
N N
N
C H 2 C H 2 N
C H 3
C H 3
C H 3
C H 3
X
定域化阳离子染料,
定域化阳离子染料是指一个或几
个正电荷集中在某一特定的原子上
2002年 7月 26日 115 四川大学化学学院
阳离子染料的分子结构与毒性
? 离域化阳离子染料,
? 分子量＞ 1000的离域化阳离子染料通常比
分子量小于 1000的阳离子染料毒性低,
? 因水生生物不易吸收这些大分子染料。
? 对离域化含 氮 阳离子染料，如果 N原子参
与了对正电荷的分散作用，则 N原子上的取代
程度对毒性有影响，含一级 N原子者通常比含
有二级及以上 N原子的毒性低，即取代越多，
毒性越大。
2002年 7月 26日 116 四川大学化学学院
阳离子染料的分子结构与毒性
?定域化阳离子染料,
? 在其他条件不变的情况下，其
毒性会因其所带正电荷的降低而降
低。即含一个正电荷的阳离子染料
的毒性比带两个正电荷的阳离子染
料低，带二个正电荷的阳离子染料
又比带三个正电荷的阳离子染料毒
性更低，以此类推。
2002年 7月 26日 117 四川大学化学学院
阳离子染料的设计
? 设计更加安全的 离域化阳离子染料,
? 增大其分子量，使其大于 1000；
? 另一方法就是保证 N的取代程度很低,
? 即限制 N上的取代。
? 设计更加安全的 定域化阳离子染料,
? 减少染料所带正电荷的方法使其毒性减少或
? 重新对其加以设计，使其成为两性染料。
? 使其 log P大于 8，则其水溶性和生物活性均会
很小。
? 但这未必普遍适用，因阳离子的性质使得分子
有很大极性和溶解度，这很难通过结构改变来使其
减少
2002年 7月 26日 118 四川大学化学学院
（ 5）两性染料（ Amphoteric Dyes）
? 两性染料,
? 可表现出酸的行为也可表现出碱的行为，分
子内同时含有带正电和带负电的基团,
? 两性染料的毒性,
? 与染料分子中阴阳离子之比有关,
? 如果分子中阴离子多一些，则毒性会低一些
（即靠近酸性的染料毒性低一些）。
? 例如在两性染料分子中加入一个羰基可降
低其对鱼和水蚤的毒性。
2002年 7月 26日 119 四川大学化学学院
C H 3
C
O
N
N
O
C
O
C H 3
C H 3
C H 3 C H
3
C H 3
C H 3
C
O
N
N
C O O
C H 3
典型的两性染料
2002年 7月 26日 120 四川大学化学学院
? 阴离子数大于阳离子数（电荷数）
? 磺酸基优于羧酸基
? 尽可能使分子量大于 1000
? 尽可能增大分子的最小横截直径
课堂作业,
总结设计对水生生物更加安全
的染料化学品应遵循的原则
2002年 7月 26日 121 四川大学化学学院
4、表面活性剂（ Surfactants）
? 表面活性剂既含有亲水基团又含有
亲脂基团，因此表面活性剂在水中能形
成胶束。
? 表面活性剂会破坏水环境与生物膜
之间的界面，因此对水生生物有毒。即
表面活性剂具有破坏生物膜的能力，使
生物膜松驰，不再能发挥其功效，造成
水生生物中毒。
2002年 7月 26日 122 四川大学化学学院
表面活性剂也可分为四种,
S O 3 XC H 3 ( C H 2 ) 1 1C H 3 ( C H 2 ) 1 1
C H 2 O H
C H 3
N H X
阳离子表面活性剂 阴离子表面活性剂
C H 3 ( C H 2 ) 1 1 N H ( C H 3 ) C H 2 C O OC H 3 ( C H 2 ) 1 1 ( C H 2 C H 2 O ) X H
中性表面活性剂 两性表面活性剂
2002年 7月 26日 123 四川大学化学学院
? 表面活性剂的 毒性 与表
面活性剂分子中亲水部分和
亲脂部分的平衡有关 。
? 亲水部分越大, 其毒性
越强 。
? 如果亲水部分与亲脂部
分相比要小一些, 则毒性会
有一定减小 。
2002年 7月 26日 124 四川大学化学学院
? 熔点高于 35℃ 的表面活性剂仅在热水中
（ 比如 50℃ ） 自分散, 在自然环境温度
（ 20℃ ） 下并不会表现出表面活性剂的功能 。
故通常 没有急性毒性而仅有慢性毒性 。
? 分子量小于 1000的表面活性剂既会表现
出, 表面毒性, Surface Active Toxicity,也
对水生生物表现出, 内毒性, （ Systemically
Toxic）, 还会引发水生生物慢性中毒 。
? 分子量大于 1000的表面活性剂则因其难
于吸收, 故仅表现出, 表面毒性, 。
2002年 7月 26日 125 四川大学化学学院
表面活性剂的设计
? 在表面活性剂分子亲水部分和
亲脂部分之间联结一个过氧基团
― O― O―
? 在表面活性剂分子亲水和亲油
部分之间引进一个酯 ― COO―
? 表面活性剂分子使其分子量大
于 1000
2002年 7月 26日 126 四川大学化学学院
5、多阴离子单体（ Polyanionic Monomers）
?多阴离子单体,
? 分子量小于 1000，在一短烷基链上
含有一个或多个酸基，化学性质象螯合
剂的一类物质。
? 多酸盐（比如钠盐）通常有很大的
水溶性，因此对水和水蚤（ Daphinds）
的毒性较低，但对绿水藻（ Green Algal）
有中等毒性。
2002年 7月 26日 127 四川大学化学学院
O O C C H
2
N
C H
2
C H
2 N
NC H
2
C H
2
C H
2
C O O
C H
2
C O O
C H
2
C O O
C H
2
C O O
5 N a
典型的多阴离子单体
2002年 7月 26日 128 四川大学化学学院
多阴离子单体的设计
? 要消除多酸对水藻的毒性, 就要减少其螯合能力
? 减少螯合物能力的方法有,
? 改变酸种类；改变酸基之间的距离 。
? 设计更加安全的多酸的方法有,
? （ 1） 改变酸的种类 （ 即：羰酸, 磺酸, 磷酸等 ）
? （ 2） 改变酸基之间的距离以确定多酸既对水生生
物无毒又仍然可以用作螯合剂 。
? 设计的目标是降低螯合能力, 以降低对水藻的
毒性 。
2002年 7月 26日 129 四川大学化学学院
6、有机金属化物（ Organo-Metallics）
? 许多金属有机化合物, 如防污剂, 杀虫剂
杀菌剂等均对水生生物 有毒 。
? 烷基汞 （ 比如甲基汞 ）, 有机锡 （ 三乙基
锡 ）, 有机铅 （ 四乙基铅 ） 等等毒性很大 。
?设计原则,
? （ 1） 增大 log P,使其＞ 8,
? （ 2） 增大溶点,
? （ 3） 增大分子量使其＞ 1000。
2002年 7月 26日 130 四川大学化学学院
7、无机金属化合物
? 众多无机金属化合物对所有生命形
式均是十分 重要 的
? 生物细胞要吸收这些物质
? 一旦吸收过量就会引发中毒
? 没有什么好的方法 设计更加安全的
无机金属化合物。我们 只能 尽量少用或
不用那些已知对环境有害的无机金属化
合物
参 考 文 献
2002年 7月 26日 132 四川大学化学学院
1,Roger L,Garrett,Designing Safer Chemicls。
Stephen C Devito and Roger L,Garrett,edited
American Chemical Society,Washington,D.C,1996，
2
2,Stephen C Devito,Designing Safer Chemicls,Stephen C Devito and Roger L,Garrett,edited
American Chemical Society,Washington,D.C,
1996,16,
3,王连生，韩塑暌，等编著,分子结构、性质与活性，
化学工业出版社,1997,
2002年 7月 26日 133 四川大学化学学院
第三、四章 作 业
? 一：简述
? 生物放大，毒载体，构效关系,
? 电子等排物，软化学设计,
? 集团贡献法,Ⅰ 相反应和 Ⅱ 相反应
? 麻醉毒性和特征毒性,
? 超额毒性
2002年 7月 26日 134 四川大学化学学院
? 二：在设计安全的化学品时，通常要考
虑哪两个方面？
? 三：人体中毒的途径极其特点是什么？
? 四：举例说明，在了解了有毒物质毒性
机理后，进行分子修饰可大大降低其毒
性。
? 五：由碳、硅元素的化学性质，试讨论
用硅取代碳的可行性及硅取代物的优点
? 六：用辛醇 -水分配系数表征有毒化学品
毒性的一般准则是什么？
2002年 7月 26日 135 四川大学化学学院
? 七：举例说明等电排置换是设计更加安
全化学品的有效方法。
? 八：从分子量、分子体积角度看，应该
怎样设计更加安全的化学品？
? 九：常见可降解和不可降解的基团有哪
些？
? 十：从可生物降解、对水生生物的毒性
角度看，怎样设计更加安全的化学品？
