绿色化学第3章安全无毒化学品的设计

1、 绿色化学电子教案湖南科技大学化学化工学院第三章 安全无毒化学品的设计 2022/8/8 目 录设计安全无毒化学品的一般原则 一、设计安全无毒化学品的一般原则二、建立设计安全有效化学品的基石 2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则 一 设计安全无毒化学品的一般原则 在第二章曾经提到，要从源头上消除污染，首先就必须保证我们需要的物质分子是安全有效的，这就需要对我们要求具有使用功能的分子进行设计，使其具有我们要求的使用功能，同时对人、对环境无害。具体说来，就是使其不能进入机体，若实在无法避免其进入机体，则要求它对机体内正常的生物化学和生理过程不产生有害的影响。由于生命机体具有复杂多样和动态的

2、特性，因此这是一个难于战胜的挑战。作为物质分子的设计者，化学工作者必须有许多设计安全无毒分子的方法，同时也必须掌握分子化学结构与其生物效应之间的全部细节，这样，才能在分子水平上进行仔细的结构设计以避免有害生物效应。 2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则另外，化学工作者还必须考虑分子结构与分子释放于环境后的行为的关系；即降解后的结构变化，在空气中、水、油中的分散性和在环境中可能引发的直接有害效应和间接有害效应，这些有害效应包括对生命机体、对环境的直接有害效应和间接有害效应。比如酸雨、臭氧层破坏和全球变暖等。只有充分掌握了这些关系，才能采用结构设计方法进行有效设计，在保持分子具有我们要求的

3、使用功能的前提下，除去其对人类对环境的有害生物效应。 2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则在设计安全有效的化学品时，一般要考虑两个方面的问题，即物质分子对包括人、动物、水生生物和植物在内的机体的“外部（ External ）”效应原则和“内部（ Internal ）”效应原则，如表 3-1 所示。 （一） “外部”效应原则 “外部”效应原则，主要是指通过分子设计，改善分子的与其在环境中的分布、人和其他生物机体对它的吸收性质等重要物理化学性质，从而减少它的有害生物效应。通过分子结构设计，从而增大物质降解速度、降低物质的挥发性、减少分子在环境中的残留时间、减小物质在环境中转变为具有有害生物

4、效应物质的可能性等均是重要的“外部”效应原则的例子。2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则另外，通过分子设计，从而降低或妨碍人类、动物和水生生物对物质的吸收也是“外部”效应原则要面对的问题。不同的生命机体对物质吸收的途径不完全相同。对人类而言，吸收物质的途径有皮肤吸收、眼睛吸收、肺吸收、肠胃系统吸收、呼吸系统吸收等。生物聚集（ Bioaccumulation ）和生物放大（ Bio-magnification ，即随食物链向上一级进展，化学物质在组织中的浓度增大这一现象），也是在进行分子结构设计时必须考虑的“外部”效应因素。众所周知，某些化学物质，比如氯代杀虫剂或其它氯代烃，可存留在多种

5、生命机体中，并能聚集到致毒的水平。2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则这一现象会在食物链中逐步加剧，因为鱼、鸟、哺乳动物等以这些食物链中的低级生命形式为食物，而人类则以鱼等为食物，因此，毒物可在低级生命形式中聚集，在更高一级的生命形式中被生物放大到更大的数量级，如此由低级生命形式传递到更高级的生命形式。“外部”效应原则也要考虑目标物质中可能产生的不纯物的性质，比如，在合成中是否会生成更毒的同系物、几何异物体、构象异构体、立体异构体或结构上不相关的不纯物。 2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则 （二） “内部”效应原则 “内部”效应原则通常包括通过分子设计以达到以下目标：增大生物

6、解毒性（ Bio-detoxication ），避免物质的直接毒性，和间接生物致毒性（ Indirect Bio-toxication ）或称为生物活化（ Bio-activation ）。增大生物解毒性包括把分子设计为本身是亲水性的或很容易与葡萄糖醛酸、硫酸盐或氨基酸结合，从而加速其从泌尿系统或胆汗中排出。要避免物质的直接毒性，就要把物质分子设计成无毒无害类化合物，或在分子中引入一些无毒功能团。2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则这里我们要面对这样一个难题，即通常有毒功能团正是满足我们要求的功能的。间接生物致毒性或生物活化是指这样一种情况，即，物质在初始结构时并不具毒性，但它进入体内

7、后，会转化为有毒的代谢物，许多致癌物质、诱变物质、畸胎性物质都是通过生物活化特征机理变为有毒物质的。2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则表 3-1 设计安全有效化学品一般原则简表 一、“外部”效应原则减少接触的可能性 （一）、与物质在环境中的分布相关的理化性质 1 挥发性 / 密度 / 熔点 2 水溶性 3 残留性 / 生物降解性 （ 1 ）氧化反应性质 （ 2 ）水解反应性质 （ 3 ）光解反应性质 （ 4 ）微生物降解性质 4 转化为具有生物活性（毒性）物质的可能性 5 转化为无生物活性物质的可能性 2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则（二）、与机体吸收有关的理化性质 1

8、挥发性 2 脂溶性 3 分了大小 4 ，降解性质 （ 1 ）水解 （ 2 ） PH 值的影响 （ 3 ）对消化酶的敏感性2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则（三）、对人、动物和水生生物吸收途径的考虑 1 皮肤吸收 / 眼睛吸收 2 肺吸收 3 肠胃系统吸收 4 呼吸系统吸收或其它特定生物的吸收途径。 （四）、消除或减少不纯物 1 是否会产生不同化学类别的不纯物 2 是否会产生有毒或更毒的同系物 3 是否会产生有毒或更毒的几何异构体、构象异构体和立体异构体。2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则二、“内部”效应原则预防毒性 （一）、增大解毒性能 1 增大排泄的可能性 （ 1 ）选择

9、亲水性化合物 （ 2 ）增大物质分子与葡萄糖醛酸、硫酸盐、氨基酸结合的可能性或使分子易于乙酰化。 （ 3 ）其他相关考虑 2 增大可生物降解性 （ 1 ） . 氧化反应 （ 2 ） . 还原反应 （ 3 ） . 水解反应2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则（二）、避免物质的直接毒性 1 选择一类无毒的物质 2 选择功能团 （ 1 ）避免使用有毒功能团 （ 2 ）让有毒结构在生化过程中消去 （ 3 ）对有毒功能团进行结构屏蔽 （ 4 ）改变有毒基团的位置 2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则（三）、避免生物活化 1 不使用已知生物活化途径的分子 （ 1 ）强的亲电性或亲核性基团

10、（ 2 ）不饱和键 （ 3 ）其他分子结构特征 2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则2 对可生物活化的结构进行结构屏蔽 很明显，“外部”效应和“内部”效应原则在很大范围内为合成化学家设计分子结构以消除或减少物质的毒性提供了研究机会。在进行分子设计时，还可以同时把“外部”或“内部”效应结合在一起来考虑。必须承认，要使物质的安全性与使用功能和谐地统一在分子内是一项十分艰巨的任务，但完成这一任务是获得成功的前提。要实现安全化学品的有效设计，就必须拥有关于物质分子结构与物质使用功能之间关系的数据库和相关信息。2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则 更为重要的是，必须在分子水平上拥有物质分

11、子结构与其生物活性之间关系的信息，而最重要的是仔细整合这两类数据和信息从而在安全性与使用功能之间找到平衡点。要达到这一目标，现行的毒理学研究和化学教育体系必须改变，更多地加强多学科的合作和交叉。 2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则二、建立设计安全有效化学品的基石 要使设计安全有效的化学品推广普及开来，学术界和工业界都必须从本质上改变自身，主要思路如表 3-2 所示。2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则表 3-2 为推广安全有效化学品的设计应解决的问题 （ 1 ） 加大宣传力度，让安全有效化学品的设计在学术界和工业界深入人心。 （ 2 ）建立关于安全有效化学品的设计这一概念的科

12、学的、技术的和经济的可靠性。 （ 3 ）进一步加强对风险化学品进行仔细认真的分析和研究。 （ 4 ）在毒理学研究中进一步强调机理研究和构效关系研究。 （ 5 ）改革和修正化学教育体系和化学教学内容，在其中引入与安全有效化学品的设计相关理论和实践性教学内容。 （ 6 ）化学界和工业界均要积极参与，积极开展这方面的工作。2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则 关于安全有效化学品的分子设计，目前仍需要加大宣传，不仅使化学界，而且使整个科学界和工业界都要意识到这一概念（安全有效化学品的分子设计）的重要性，进而为之努力工作。 要为本概念建立起科学的可靠性，展示它在技术上、经济上的可实施性。目前在这

13、方面已有很多成功例子。 学术界和工业界都应该把注意集中到对人类对环境有有害效应的风险物质上来，不仅要研究对毒性本身的评价问题，而且要研究它们潜在的环境效应和对人类健康的影响。2022/8/8 设计安全无毒化学品的一般原则 毒理学研究应着重强调机理研究，即在分子水平上研究某一或某一类化学品是怎样在生命机体上发生毒性的。只有积累了这些数据和信息后，才能发展相应原理和构效关系（ Structure-Activity Relationships ， SAR ）。这里的“效（ Activity ）”就是指化学物质对生命机体造成的生物化学影响或曰毒性。有了构效关系，才能进行相应分子设计。 2022/8/8设计安全无毒化学品的一般原则化学教育