第四章 安全化学品的应用

第四章

安全无毒化学品的设计应用

本章主要内容：第一节用硅对碳进行等电排置换法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加安全的化学品本章基本要求①进一步加深对分子设计的基本思想的了解。②掌握镗碳－硅原子的结构特征及其在安全有效分子设计的应用。③掌握可生物降解分子、和不可降解分子的结构特征及其在在安全有效分子设计的应用。④掌握分子对水生生物的影响规律及其在安全有效分子设计的应用。

第一节

用硅对碳进行等电排置换法设计更加

安全的化学品

上一章讲过，等电排置换是设计更加安全化学品的有效方法之一，对于有毒有机物来讲，有时其中的一个碳原子被原子取代后，不仅可以降低毒性而且还增大其生物降解性。硅是碳的等电排的原子硅化合物和碳化合物的差异性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

碳和硅:4A族元素，在化学性质上有相似性：硅和碳都是4价元素，能形成四面体结构；能与氧形成较稳定化学键；硅取代碳后形成的衍生物是无毒的；由于硅氧键太强，有机硅化合物在自然界中存在时间有限。硅在自然界中存在广泛。例一、硅是碳的等电排原子

例1

神经传递质乙酰胆碱的天然类似物尿烷，是乙酰胆碱的拮抗药，拮抗作用是指不同激素对某一生理效应发挥相反的作用从而稳定身体内环境。拮抗简单说就是抵抗的意思。

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氨基甲酸酯（杀虫剂）

(不易降解）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)

例2

对苍蝇有相似的毒性

尽管硅元素与碳元素最相似，但并非所有情况下都可以用硅代替碳。差异？二、硅化合物和碳化合物的差异1.硅形成的双键或三元环化合物在空气及潮气中极不稳定；H2C=CH2

乙烯稳定H2Si=CH2

硅乙烯不稳定

[CH2CH2CH2CH2CH2CH2]n

聚乙烯,稳定[SiH2－CH2－CH2－SiH2－CH2－SiH2－CH2]n

聚硅乙烯,不稳定

2.硅与氮、氧等杂原子形成的单键是强化学键，但能水解；

3.Si－H键的极化程度大于C－H键；4.由于硅原子与碳原子的大小有一定差异，因此有时其化学反应性能也有重大差异。

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。

三、有机硅化合物的降解和氧化代谢

在设计安全化学品时，大多首先要考虑的是该物质在环境中能否非生物降解和生物氧化。能生成降解的无毒无害的物质是最理想的，而用硅置换碳后有可能同时增大非生物降解和生物氧化降解的可能性。（一）非生物降解

目前最常见的有机硅化合物是聚硅酮，它是1,1-二甲基硅二醇的聚合物，曾经还认为它是环境中稳定存在的，但后来发现，它在水和土壤中能发生降解，尤其是甲基在光的作用下能发生Si-C键断裂，最后降解为硅酸盐。聚硅酮：是1,1-二甲基硅二醇的聚合物，可用作清洁剂。在水和土壤中能降解最后产物是硅酸盐（二）生物氧化降解

在甲基硅氧烷存在下微生物生长研究中发现，Si－C键能发生生物断裂。同时又发现，微生物可利用二甲基聚硅酮中的碳，使其转化为CO2。而费森登（Fssenden）关于有机硅烷在哺乳动物中代谢的研究工作中发现，苯基和烷基硅烷的氧化与其碳烷类似。经二甲基苯硅烷与二甲基苯甲烷的对比研究发现，硅取代物在体内氧化时，其Si—H键氧化速度很快，SI—H键转化为SI—OH成为其主要产物。二甲基苯硅烷二甲基苯硅烷（主要产物）二甲基苯硅烷二甲基苯硅烷生物氧化（主要产物）四、硅取代的环境安全化学品的例子

硅-碳等电排置换在药物化学、农药化学品方面取得广泛应用。

例1：DDT的硅取代物，DDD类硅烷类似物。

DDT对哺乳动物比较安全，对其他物种有毒，在环境中长期残留。

而DDD的毒性和残留远远小于DDT，原因就在于硅烷分子内存在Si—H，能在环境中被氧化而变得不稳定。见下图杀虫剂（毒性）不易降解更易降解

例2：有机硅杀真菌剂（硅取代三唑类化合物）

氟苯代硅三唑对谷类防真菌特别有效。

该药对甾醇的合成有生物抑制作用。其一级代谢产物为硅醇。硅醇生物活性很小，氧化态高，更容易进一步降解

第二节

设计可生物降解的化学品

可生物降解的重要性：

①在设计目标分子时首要的考虑就是可生物降解性。②抗生物降解的化学品会造成在环境中的长期残留，其对环境的危害目前难以完全预期或预测，尤其是对长期的或慢性的毒性；③生物聚集作用会进一步增大形成毒性的可能性；④在水和土壤环境中，有机物的降解机理主要是生物降解。

本节主要介绍用于增大可生物降解性的分子设计原理。

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：

不能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。

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

一、生物降解的细菌基础

1.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。众多证据说明，不能被高级有机体降解的大部分化学品的降解是靠微生物来完成的。

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，有机物质的最终矿物化主要就是微生物降解的结果。（1）微生物是可爱又可恨的小东西

微生物：是一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。其特点是：形体微小(一般<0.1mm)，结构简单，通常要用光学显微镜和电子显微镜才能看清楚。而巨型真菌－蘑菇、木耳、灵芝等例外。

①分类：8大类－细菌、病毒、真菌、放线菌、立克次体、支原体、衣原体、螺旋体。

②作用：是自然界生物降解中起主要作用的生物体。同时微生物又具有氧化和分解有机物并将其转化成稳定无机物的能力，如污水生物净化法。（2）微生物的特点

①化学组成：C,H,O,N,P,S以及其他元素。

②营养物质：提供微生物生长繁殖和生命活动的物质，其主要能量是水和无机盐；碳源；氮源；能源；生长因子(微量有机物)。

③作用：微生物达几万种，大多数微生物对人类有益，只有一少部份能致病。人体内的微生物通过胃和肠道吸收来消化食物。如食用菌－蘑菇、木耳等；微生物发酵是微生物的化学过程。（3）微生物的特征分类

微生物可分为：好氧微生物和厌氧微生物；

①好氧微生物：有氧气存在才能存活。在有氧气的环境中分解各种有机物，通过分解代谢最终氧化成简单的无机物－CO2、水、氨、硫酸盐和磷酸盐等。

②厌氧微生物：在缺氧的条件下存活。在缺氧的条件下分解各种有机物，将其转化为甲烷和CO2等，也是沼气的产生原理。（4）有机物的生物降解过程▲▲

2.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也可以是在某些传输系统的帮助下完成。

蛋白质、多糖等大的聚合物，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。

其次：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。3.微生物利用化合物的基本原理微生物家族的分解代谢途径是多种多样的。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，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。

4、幸运代谢或无偿代谢

幸运代谢或无偿代谢（特指：人造化学品与天然物质相同或相似，及人类活动制造的从未见过或自然界很少见到的物质），是降解酶通常对其能降解的自然底物没有绝对的专一性，所以，所有天然有机物都是能生物降解的，大部分人造有机化学品也是可以生物降解的。注意：天然有机化合物能通过其在适当条件下按生长步骤的逆过程降解。

因此，

“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。”

二、化学结构与生物降解性

化学结构与物质的其他性质一样，物质的可生物降解性也与其结构密切相关。化学结构与生物降解的几个关键点不易生物降解的化学结构可生物降解的化学结构物质在水中的溶解度与可降解性

（一）不易生物降解的化学结构

具有下列结构特征的分子

对需氧生物降解有抗拒作用：

①卤代物，尤其是氯化物和氟化物；

②支链结构，尤其是季碳和季氮或是极度分枝的物质，如：三聚或四聚丙烯，支链烷基苯磺酸盐。趋势：直链烷基苯磺酸盐代替支链烷基苯磺酸盐

③硝基、亚硝基、偶氮基、芳氨基；④多环残基（如多环芳香烃或稠环芳香烃），尤其是超过三个环的；例如：重油、沥青、柴油中的多环芳烃等。

⑤杂环残基，如吡啶环等。

⑥脂肪族醚键（C－O－C）类。

⑦高取代的化合物比低取代的化合物更不易降解。

不易生物降解的原理：

以上所述结构会影响（抑制）降解酶对物质的引发作用或影响它们作为底物的能力，同时阻碍这些物质在细胞内的传输。例如：强吸电子的取代基：如苯环上的Cl可抑制氧化酶的进攻。

注意：

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不能降解。

但这并不能妨碍我们应用这些原理进行设计。

（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。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

形式存在的氧都可降解

具有如下结构特征的分子具有较大的生物降解能力：①具有水解酶潜在作用的物质会增大生物降解能力（如酯、胺等）。②在分子中引入以羟基、羧基、醛基形式存在的氧会增大生物降解能力。

③存在未取代的直链烷基（尤其是>C4直链）和苯环时，可增大生物降解能力。原因是：容易受氧化酶的进攻。④水中溶解度大的物质更容易生物降解。⑤相对低取代的物质。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在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。

（三）物质在水中的溶解度与其

可降解性

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：

（1）微生物利用度：

不溶性化学品趋于吸附在活性淤泥、沉积物和土壤中，与微生物分隔开来，会降低生物降解速率。（2）溶解速率：

对溶解度较低的固体物质，只有溶解的部分和分散相才能受到微生物的作用。所以，溶解速率快的物质被降解的可能性大一些，同时，许多微生物能分泌表面活性剂，可增加其生物降解速度。（3）水溶液中的极低浓度：

在水中溶解度低于每升几毫克时，由于细胞酶和传输系统的传质困难，也难以生物降解。

在其他条件相同的情况下，对于水溶性不好的化学品，在其中引入增大其溶解度的基团可增大其生物降解性。三、基团贡献法预测生物解降能力

什么是基团贡献法？

每个基团对分子结构和性能都有影响，也就是对宏观现象及特性的贡献。所以根据特定基团的多少等因素来推测分子乃至物质的性质。这样一种预测方法可大体判断有关物质的降解能力。基团贡献法背景介绍在化工实际生产设计中，相平衡的数据是十分重要的。但是化工中涉及的大多是复杂的混合物，如果对每一种混合物都进行实验测定时不可能的。为了解决这种问题，工程上发展了一种经验的基团贡献法。基团贡献法的基本出发点是将实际的化工产品看成是构成各组分的基团的物质。这样一来，虽然混合物中组分的种类很多，但是常见的基团不过几十种，这就使人们有可能根据少量的实验数据拟合出基团的贡献参数，然后预测大量未知化工产品体系的基本性质。基团贡献法预测物性的优点相比于实验室或者工业实测，省去了许多物力人力相比于完整的热力学计算，计算时间较短，较为方便可用计算机编写程序进行计算，简便易行由于构成常见化合物的基团只有约100个，因此100个基团就基本上可估算各类有机化合物的物性了。目前划分的基团较多较细。大体上已可计算各类有机物了。包括：－CH3、-CH2-、=CH2、-OH(醇）、-OH(酚）、－CHO、－COOH、－COO，－F、－Cl、－Br、－I

及下页各种基团乙烷CH3-CH32个CH3—

基团

丙烷CH3-CH2-CH3

2个CH3＋1个CH2—基团CH3异丙烷CH3-CH-CH32个CH3＋1个CH—基团

根据化学品的结构预测其相对降解速率的能力对设计更加安全的化学品会有帮助。

伯特林（Boethling）等用基团贡献法原理建立了一套四个模型用以预测可生物降解能力。

其中2个模型用于预测容易降解的物质和不容易降解的物质，降解性与分子结构特征之间采用线性和非线性对数关系。另外2个模型对水溶液中的降解速率进行半定量的估算。适用于降解的初级和最终过程。

详细参见：王连生，韩塑睽等编著，《分子结构、性质与活性》，化学工业出版社，1997年。例用基团贡献法对取代苯类化合物生物降解性的预测2013年9月，黑龙江环保厅测定了47种取代苯类化合物在松花江水中的5日生化需氧量(BOD5)，分别采用线性基团贡献法和非线性基团贡献法对化合物的生物降解性BOD5进行了研究，得到不同基团对生物降解性的贡献为：C6H5COOHOHCH3ONH2

Cl

NO2

。线性基团贡献法测试组的定性预测正确率分别为86%；非线性基团贡献法的预测正确率分别为92%。预测结果表明线性和非线性基团贡献法的预测效果都很好，但相比而言，非线性方法对生物降解性的预测更准确

四、设计可生物降解化学品的例子

线性烷基苯磺酸（LAS）

二烷基季铵化合物1．线性烷基苯磺酸

肥皂（硬脂酸钠）

烷基苯磺酸表面活性剂（ABS）

四丙基苯磺酸盐（混合物）

日用化学品表面活性剂

表面活性剂四聚丙烯基苯磺酸盐（TPBS）:该物质在废物处理污水中降解仅有50%，对环境影响较大很难降解，在排污口产生大量泡沫。四聚丙烯与苯通过Friedel-Crafts烷基化反应，再经过磺化制得的混合物。

线性烷基苯磺酸LAS代替TPBS:

经研究重新设计了用直链烷基苯磺酸盐LAS来代替四丙基苯磺酸盐（TPBS）。

该物质在污水处理时完全能生物降解，由直链

烯烃（或高级醇）与苯烷基化生产，直链

可以由石蜡裂解或乙烯聚合得到，所以该原料来源丰富，且价格又低廉。直链烷基苯磺酸盐（LBS）例2：二烷基季铵化合物（QACs）二烷基季铵化合物是上世纪50年代发现的。在简单的季铵（QACs）上引入长的烷基后，其对生物的危害性大为改善。

用于——

表面活性剂

和

杀虫剂

但目前的主要市场是用于织物柔软剂。

目前市用QACs主要有3类物质组成。即在分子中引入2个长链（C10~C19)烷基来达到所要求的疏水性。三类物质分别是：（1）二烷基二甲铵盐（水溶性差，不易生物降解）优点：水中溶解度很小，废水处理时易吸附在固体表面，

95%可以除去。缺点：难生物降解，有较大生态毒性。在使用上受到限制。（2）咪唑季铵盐：优点是：容易从废水中除去和更容易生物降解。原因是：引入了新的化学键类型，形成了可水解的胺键。因此，可通过改变分子结构进行合理的分子设计，可获得更安全的表面活性剂。（3）羟乙基乙铵翁季铵盐优点是：容易从废水中除去和更容易生物降解。主要是引入了新的化学键，形成了可水解的胺键。例如：在羟乙基铵翁季铵盐分子中引入酯键取代酰胺键，得到更易降解的化合物，一种新的织物整理剂。

QACs使用后大都要排向市政排污处理系统以前，织物柔软剂市场上主要还是销售二烷基二甲铵盐类（第一类季铵盐）物质，即二氢化动物脂二甲基氯化铵（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。而它又有较大的生态毒性。

目前DHTDMAC（第一类季铵盐）已被后两类季铵盐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。第三节、设计对水生生物更加

安全的化学品

化学品对水生生物的

致命危害

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!

水生生物只所以重要，是因为陆生生物、包括人，就至少在一定程度上依赖于水生生物。因此，对水生生物有毒的化学品就可以使生态处于危险之中，甚至造成某些食物链中断。所以保护水生生物也是保护我们人类。

化学品对水生生物的致命危害有两类：即非特征的或麻醉性的和特征的。

①非特征的

有毒化学品对大部分水生生物通过麻醉作用中毒；如：氯代烃、醇、醚、酮、有机酸和碱、简单的硝基取代化合物等 易引起非特征的中毒。如有发晕的感觉。麻醉性的中毒。

麻醉中毒与化学品在生物膜中的扩散有关，细胞或细胞膜中化学品的浓度达到一定值，对细胞功能产生非特征干扰，过量也能导致死亡。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，通过麻醉机理致毒物质的相对毒性与其脂溶性有关。

酯溶性化学品容易穿透细胞膜引起麻醉中毒。

②特征性中毒。

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外还会有额外的毒性，称为特征型。

如与细胞大分子，通常是蛋白质（酶、DNA等）发生共价作用。比如一个化学品与各种蛋白质（酶、DNA等）形成共价键，则可预通过形成该键预测它具有特征型毒性。如腈、亲电剂等，就对生生物有特征性毒性。一、利用构效关系预测水生毒性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

许多工业化学品对水生生物具有严重的毒性。

立法：

1976年，美国国会通过了“毒物控制提案（简记为TSCA）。

此法案的特别之处？

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进行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。

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，构效关系的定量化（简称QSAR)，可更为精确地预测毒性。

其做法是：参考一组类似化学品产生的生物效应及结构差异引起的相对生物活性的差异，把构效关系定量化，得出生物毒性的精确预测。对水生生物毒性进行预测的定量构效关系（QSAR)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。

在确定水生生物的构效关系时，较重要的是找到与生物活性密切相关的物理化学性质，因这些性质与其结构是紧密相连的。二、结构和物理化学性质的调变

有许多物理和化学因素会影响到水生生物的毒性。如水溶性、油溶性、颜色、形成内盐、酸、碱性、分子大小、最小截面积（运动直径）、物理状态（气、液、固）等。对这些因素如何影响对水生生物的毒性知识的掌握，会帮助我们更有效地设计对水生生物较安全的化学品。如在水中溶解度很小（<10

10-9)，或增大其logP（>8)，都会降低其生物活性，那么，也就减少了对水生生物的毒性。（一）辛醇－水分配系数（logP）

辛醇－水分配系数。是有机化合物在水和辛醇两相平衡浓度之比。

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。分配系数的数值越大，有机物在有机相中溶解度也越大，即在水中的溶解度越小。对于仅表现出麻醉型毒性的非离子有机化合物：

logP≤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）；

logP＞5时，毒性随脂溶性指数减少，因此对生物活性降低；

logP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；

logP≥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。

一般情况有一些麻醉型毒物如脂肪醇、氯代苯、丙酮、二硫化物等到logP=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logP＞8时仍表现出剧毒。LogP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，logP≤2的物质对水生生物的毒性就很小，其LC50＞100mg/L。特例依据辛醇—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LogP＜2，或者LogP＞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LogP，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）基团如卤素、芳环、烷基等以增大logP。(2)水溶性水溶性与logP的特点：当logP增大时，水溶性降低；当logP减小时，则水溶性增大。麻醉型化学品：

当其水溶性很差或有很高的水溶性时，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。

带有麻醉性的化学品毒性的下限，当水溶性很小时，即当水溶性<1

10-9时，毒性很小或无毒性。

到底水中溶解度达到哪一数值时对水生生物才表现出没有毒性？这一问题目前还不能给出较准确的一个上限。但对水溶性较小的化学品给出了一个较明确的下限即水溶性<1

10-9时。因此，在设计安全化学品时，我们应改变分子结构使其要么变得不溶于水，要么使它在水中的溶解度很大。

要引起我们关注的是，一些看起来很小的分子结构微小的变化，导致水溶性和油溶性的显著变化，因而也引起毒性的显著变化。这一点对于设计小分子物质时尤为重要，因为小分子化学品容易生产，且使用范围又广，所以在设计小分子时，通过改变其分子结构来改变水溶性从而减少对水生生物的毒性。

例如叔戊醇在水中的溶解度比异构体正戊醇水溶性大（98g/L），因而毒性低很多；

又如相对分子量大的氨基丁酸在水中溶解度就比2-氨基丙酸水溶性大44g/L，而前者仅比后者多一个甲基，毒性就显得很低，这都是结构上的微小差异导致相对水溶性的差异而改变其毒性。它们在水中溶解度增大后，对鱼类、水蚤、水藻的毒性降低一半。利用醇来减少水溶性的原理被用于生产一等系列的醇代萜烯清洁剂。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至原来的1/40，并且还具有其他的一些优点。对比见下页

（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。

例子

天然酞菁染料天然酞菁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。

设计原则增大其最小横截直径

增大分子量所以，对于一些相对分子质量小于100的物质，可以通过对其重新设计，以增大其横截直径而减小其毒性。（4）离子对离子对：带有相反电荷的两个离子依靠库仑引力结合成的一对离子。一些盐类的正负离子之间相互作用很强，溶液中的部分离子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。

启发？

如果使一个可溶的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。如果能把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，则杀虫剂剂的毒性可以降低100倍，这样配成的强离子对杀虫剂对水生生物安全。（5）两性离子两性离子：同一分子上同时带正负两种电荷的偶极离子，在溶液中即起路易斯碱又有路易斯酸的物质。比如氨基酸，蛋白质的酸碱催化就是基于氨基酸的这种性质。

两性离子其正负电荷是相等的，则一般说来对水生生物毒性很小。

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。

如酸性蓝1号就是两性离子物质。酸性蓝1号

（6）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。

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，就可减轻它对水藻的毒性。三、对分子结构进行修饰

（一）麻醉与超额毒性

麻醉型化学品与特征性化学品相比，特征性化学品的毒性要大得多。原因是特征性化学品有亲电性物质，如环氧化物、卤代烃、丙烯酸酯、醛类、酯类、二硝基苯类、硫醇等。亲电性物质能与细胞内大分子中的亲核部位形成共价键，使细胞发生不可复原的变化，造成不可逆中毒。

而麻醉性中毒一般情况下是可逆的。原因是亲电性物质能与细胞内大分子中的亲核部位形成氢键等弱作用力，使细胞发生可复原的变化，通常造成可逆中毒。

可逆中毒和不可逆中毒：根据毒物和催化剂活性组分之间发生了某种相互作用的性质和强弱程度，将其分为可逆的（可以再生，暂时的）和不可逆的（不可以再生)）所谓超额毒性

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

实例一些可离子化的物质也显示出超额毒性。例用普通脂肪族胺QSAR预测出三炔丙基胺的毒性仅为其实测毒性的1/84含有烯丙基的物质、含有炔丙基的物质等也表现出超额毒性。

（二）利用结构修饰减轻超额毒性

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特征性毒性，即将毒性减小到仅剩麻醉型物质。例如：屏蔽胺－环状结构脂肪族胺，相邻碳与多取代烷基相连，毒性降低为普通脂肪族胺的1/25。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：

96·hLC50=47mg/L96·hLC50＞1000mg/LpH=7pH=7

又如甲基丙烯酸羟乙酯，由于甲基的位阻作用，毒性比丙烯酸乙酯显著降低。但两物质有基本相同的商业用途。

两者相比，前者达到致死量为227mg/L，后者达到4.8mg/L就能致死。

LD50是半数致死剂量，指在预定时间之内，如96h，导致50%被暴露个体死亡的剂量。

毒物的毒性与ＬＤ５０关系：毒性的定量测定是把不同剂量的被试验物质导入实验动物(如老鼠)体内。足以使占全体数量50％的个体在试验条件下致死的剂量称为LD50(致死量50％)，一般用每公斤体重所使用的毒物毫克数表示。（三）、染料

有机染料根据其基团特性分为4类：

①中性染料－非离子型染料；

②阴离子染料－带负电荷染料，酸性染料；

③两性染料－分子中同时带有正电荷和负电荷；

④阳离子染料－带正电荷。

带电荷染料的物理化学性质与水生生物毒性之间没有定量的QSAR，故在对这些染料毒性分析时，常用SAR方法。

SAR指标又叫抛物线指标或停损转向操作点指标，是由美国技术分析大师威尔斯-威尔德所创造的，是一种简单易学、比较准确的中短期技术分析工具。

其基本原理是：有两层含义。

一是停损或止损之意。

如要投资股票，就要在买卖某个股票之前，先设定一个止损价位，以减少投资风险。如何既可以有效地控制住潜在的风险，又不会错失赚取更大收益的机会，是每个投资者所追求的目标。但是股市情况变幻莫测，而且不同的股票不同时期的走势又各不相同，如果止损位设的过高，就可能出现股票在其调整回落时卖出，而卖出的股票却从此展开一轮新的升势，错失了赚取更大利润的机会，反之，止损位定的过低，就根本起不到控制风险的作用。因此，如何准确地设定止损位是各种技术分析理论和指标所阐述的目的，而SAR在这方面有其独到的功能。第二层含义是：即反转、反向操作之意

这要求投资者在决定投资股票前先设定个止损位，当价格达到止损价位时，投资者不仅要对前期买入的股票进行平仓，而且在平仓的同时可以进行反向做空操作，以谋求收益的最大化。这种方法在有做空机制的证券市场可以操作，而目前我国国内市场还不允许做空，因此投资者主要采用两种方法，一是在股价向下跌破止损价位时及时抛出股票后持币观望，二是当股价向上突破SAR指标显示的股价压力时，及时买入股票或持股待涨。

计算公式：在计算SAR之前，先要选定一段周期，比如n日或n周等，n天或周的参数一般为4日或4周。接下来判断这个周期的股价是在上涨还是下跌，然后再按逐步推理方法计算SAR值。计算日SAR为例，每日SAR的计算公式如下：SAR（n）=SAR（n－1）+AF[EP（N-1）－SAR（N-1）]

其中，SAR（n）为第n日的SAR值，SAR（n－1）为第（n－1）日的值AF为加速因子（或叫加速系数），EP为极点价（最高价或最低价）（1）中性染料

中性染料分子中不含带电基团，以前了解到的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。如分散染料就是一种典型的中性染料，因难溶于水而熔点较高，故对水生生物毒性较小。

怎样设计中性染料

使其水溶性小于1ppb（LogP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。

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。（2）阴离子染料

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：其特点是：

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。

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。

大部分酸性染料对水藻有中等毒性。原因是染料颜色表现出的间接掩蔽作用，吸收太阳光阻碍了水藻的光合作用，因缺氧而影响海藻的生长。（3）金属化酸性染料

即与金属螯合的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。典型的金属化酸性染料

大部分的金属化染料都是酸性染料。其被螯合的金属通常为Fe、Cu、Co、Al、Ni、Cr、Zn等。这类染料一般含有未络合的游离金属，其中Al、Cr、Co等对水生生物有毒。金属化酸性染料的设计

1.可增大其分子量其＞10002.尽可能用Fe、Zn、Cu等而不用铬、钴、铝金属等。3.尽可能让体系中没有螯合的金属减到最小。（4）阳离子染料

阳离子染料:可分为定域性阳离子染料和离域化阳

离子染料阳离子染料：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。

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。

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。

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。

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。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，取代越多，毒性越大。

阳离子染料的设计设计更加安全的离域化阳离子染料：1.增大其分子量，使其大于1000；2.另一方