第4章_更加安全無毒化學(xué)品的設(shè)計(jì)應(yīng)用

1、第四章 設(shè)計(jì)更加安全化學(xué)品的應(yīng)用u 硅-碳等電排置換法設(shè)計(jì)安全無毒的化學(xué)品u 設(shè)計(jì)可生物降解的化學(xué)品u 設(shè)計(jì)對(duì)水生生物更加安全的化學(xué)品 等電排置換法：設(shè)計(jì)更加安全的化學(xué)品的有效方法之一，1個(gè)有機(jī)分子中的C原子被Si取代后，毒性大大降低，生物可降解性顯著增加。1、硅-碳等電排置換原理：Si是C的等電排原子Si和C均是4A族元素，化學(xué)性質(zhì)相似。 都是4價(jià)元素； 都能形成四面體結(jié)構(gòu)； Si與C能形成穩(wěn)定化學(xué)鍵。Si取代C后形成的有機(jī)衍生物是無毒的（硅酮例外）。Si是自然界最豐富、價(jià)格低廉，且可以以各種形式存在的元素。一、硅-碳等電排置換法設(shè)計(jì)安全無毒的化學(xué)品例1：神經(jīng)傳遞物質(zhì)Si-C等電排置換的效果

2、例子乙酰膽堿（Acetylcholine）其天然類似物尿烷蠅覃堿拮抗咬（Muscarinic AntagonistisNOOCH3OONH2SiOONH2Si取代物與其對(duì)應(yīng)碳化合物的藥劑反應(yīng)曲線完全相同，但毒性顯著降低。例2：殺蟲劑Si-C等電排置換的效果例子Si取代物與其對(duì)應(yīng)碳化合物的滅蠅效果完全相同，但生物可降解性顯著增降，環(huán)境危害性顯著減小。氨基甲酸酯Si取代物OONHCH3SiOONHCH3穩(wěn)定性等的差異 硅形成的雙鍵或三元環(huán)化合物在空氣及潮濕的氣氛中極不穩(wěn)定； 硅與氮、氧等雜原子形成的單鍵是強(qiáng)化學(xué)鍵，但能水解； Si-H鍵的極化程度大于C-H鍵，與C-H鍵相反，增加與Si相連的H原子

3、的數(shù)目將使其更容易被氧化，如： CH4在空氣中十分穩(wěn)定，SiH4在空氣中能自燃。 聚硅烯能在空氣中穩(wěn)定存在。2、硅化合物和碳化合物的差異2、硅化合物和碳化合物的差異乙烯 CH2CH2 相當(dāng)穩(wěn)定硅乙烯 CH2SiH2 不穩(wěn)定聚乙烯 穩(wěn)定聚硅乙烯 在空氣中穩(wěn)定CH2CH2CH2CH2CH2CH2n SiH2CH2SiH2CH2SiH2CH2*n 有機(jī)硅化合物比相應(yīng)的有機(jī)碳化合物更容易發(fā)生非生物降解和生物氧化降解。（1）非生物降解例如：聚硅酮，聚1,1-二甲基硅二醇，最常見的有機(jī)硅化合物，在水和土壤中發(fā)生非生物降解，光化學(xué)反應(yīng)使其發(fā)生Si-C鍵斷裂，最後降解為硅酸鹽。3、有機(jī)硅化合物的降解和氧化代謝

4、OHSi OHnPolymerizationnH2O+nH2OSi O*n Si O*n hv, H2O, SoilSilicates（2）生物氧化降解SiC鍵能發(fā)生生物斷裂： 微生物可利用二甲基聚硅酮中的C，使其轉(zhuǎn)化為CO2； 二甲基苯硅烷在生物體內(nèi)氧化時(shí)，其SiH鍵氧化速度很快，SiH鍵轉(zhuǎn)化為Si-OH為主要產(chǎn)物。3、有機(jī)硅化合物的降解和氧化代謝SiCH3CH3HFast in bodySiCH3CH3OH90%CH3CH3HCH3CH2OHHCH3HCOOHCH3CH3OH+25%25%50%硅-碳等電排置換在藥物化學(xué)、農(nóng)藥化學(xué)品方面取得廣泛應(yīng)用。例1：DDT的硅取代物DDD類硅烷類似物

5、 DDT對(duì)哺乳動(dòng)物比較安全，但對(duì)其他物種有毒，在環(huán)境中長(zhǎng)期殘留。DDD的毒性和殘留遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于DDT。4、硅取代的環(huán)境安全化學(xué)品的例子ClCHClClClClClSiHClClClClDDTDDD例2：有機(jī)硅殺真菌劑硅取代三唑類化合物 Meberg等，氟苯代硅三唑（Flusilazole）對(duì)谷類防真菌特別有效，目前商用的主要谷類防真菌劑。對(duì)甾醇的合成有生物抑制作用。其一級(jí)代謝產(chǎn)物為硅醇，生物活性很小，氧化態(tài)高，更容易進(jìn)一步降解。4、硅取代的環(huán)境安全化學(xué)品的例子NNNSiCH3FFMetabolizationSiCH3FFOH增大分子的可生物降解性降解為無毒的產(chǎn)物是預(yù)防化學(xué)品使用后造成污染一條十分重

6、要的途徑?？咕苌锝到獾幕瘜W(xué)品會(huì)造成在環(huán)境中的長(zhǎng)期殘留，其對(duì)環(huán)境的危害目前難以完全預(yù)期或預(yù)測(cè)，尤其是對(duì)長(zhǎng)期的或慢性的毒性；生物聚集作用會(huì)進(jìn)一步增大形成毒性的可能性；在水和土壤環(huán)境中，有機(jī)物的降解機(jī)理主要是生物降解最常用的污水處理方法生物處理的理論基礎(chǔ)。二、設(shè)計(jì)可生物降解的化學(xué)品 微生物（主要是細(xì)菌和真菌）是自然界生物降解中起主要作用的生物體。微生物具有氧化分解有機(jī)物并將其轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定無機(jī)物的能力污水生物凈化法；根據(jù)微生物的呼吸特征，微生物分為好氧微生物和厭氧微生物；好氧微生物在有氧氣的環(huán)境中分解各種有機(jī)物，通過分解代謝最終氧化成簡(jiǎn)單的無機(jī)物CO2、水、氨、硫酸鹽和磷酸鹽等。厭氧微生物在缺氧的條件

7、下分解各種有機(jī)物，將其轉(zhuǎn)化為甲烷和CO2等沼氣的產(chǎn)生原理，可以副產(chǎn)沼氣。1、生物降解的細(xì)菌基礎(chǔ) 有機(jī)物的好氧微生物分解有機(jī)物的生物降解 有機(jī)物氧微生物H2OC、H、O、N、S、P分解代謝CO2，H2O, NH3，SO42-，PO43-有機(jī)物微生物H2OC、H、O、N、S、P分解代謝CO2，CH4有機(jī)物的厭氧微生物分解微生物降解的可能過程： 有機(jī)物通過細(xì)胞壁和細(xì)胞膜傳遞進(jìn)入細(xì)胞； 蛋白質(zhì)、多糖等有機(jī)大分子聚合物可能需要在細(xì)胞外酶的作用下先降解為小分子化合物； 有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)非常復(fù)雜，數(shù)百種反應(yīng)，與有機(jī)物種類和分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要有： 氧化、還原、水解及聯(lián)合反應(yīng)等。微生物降解的基本原理微生

8、物的生長(zhǎng)需要碳和能量。幸運(yùn)代謝或無償代謝降解酶通常對(duì)其能降解的自然底物沒有絕對(duì)的專一性，所以，所有天然有機(jī)物都是能生物降解的，大部分人造有機(jī)化學(xué)品也是可以生物降解的。1、生物降解的細(xì)菌基礎(chǔ) （1）不易生物降解的化學(xué)結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)的微小改變可顯著影響其生物降解性；對(duì)需氧生物降解有抗拒作用的化學(xué)結(jié)構(gòu)：鹵代物，尤其是氯化物和氟化物；支鏈結(jié)構(gòu)，尤其是季碳和季氮或是極度分枝的物質(zhì)，如：三聚或四聚丙烯，季銨鹽，支鏈烷基苯磺酸鹽。 趨勢(shì)：直鏈烷基苯磺酸鹽代替支鏈烷基苯磺酸鹽硝基、亞硝基、偶氮基、芳氨基；多環(huán)殘基（如多環(huán)芳香烴或稠環(huán)芳香烴，PAHS），尤其是超過三個(gè)環(huán)的； 例如：重油、瀝青、柴油中的多環(huán)芳烴雜環(huán)

9、殘基，如吡啶環(huán)；脂肪族醚鍵（COC）；高取代的化合物比低取代的化合物更不易降解。2、化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物降解性 不易生物降解的原理： 上述結(jié)構(gòu)會(huì)影響（抑制）降解酶對(duì)物質(zhì)的引發(fā)作用或影響它們作為底物的能力，同時(shí)阻礙這些物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的傳輸。例如：強(qiáng)吸電子的取代基：如：苯環(huán)上的Cl，抑制氧化酶的進(jìn)攻（親電的氧為共存底物）。2、化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物降解性 具有水解酶潛在作用位的物質(zhì)（如：酯、胺等）；羥基、羧基、醛基；未取代的直鏈烷基（尤其是C4）和苯環(huán)； 原因：容易受氧化酶的進(jìn)攻。水中溶解度大的物質(zhì)；低取代的物質(zhì)。注意：分子中含有可增大降解能力的氧尤其重要。原因：有機(jī)化合物，尤其是烴類的生物降解的第一步通常也是速

10、率控制步驟是在氧化酶作用下向分子結(jié)構(gòu)中引入氧。（2）可生物降解的化學(xué)結(jié)構(gòu) 分子骨架結(jié)構(gòu)上的取代基數(shù)目和物質(zhì)分子的水溶性顯著影響生物降解能力。微生物利用度（Bio-availability)：不溶性化學(xué)品趨于吸附在活性淤泥、沉積物和土壤中，與微生物分隔開來；溶解速率：固體物質(zhì)，只有溶解的部分和分散相才能受到微生物的作用。 注意：許多微生物有分泌表面活性劑（如：鼠李糖脂）的能力，會(huì)加速溶解過程。極低濃度：在水中溶解度低于每升幾毫克時(shí)，由于細(xì)胞酶和傳輸系統(tǒng)的傳質(zhì)困難，難以生物降解。（3）物質(zhì)在水中的溶解度與可降解性 類似于利用基團(tuán)貢獻(xiàn)法構(gòu)筑化學(xué)品的構(gòu)效關(guān)系。Boethling等的工作：利用基團(tuán)貢獻(xiàn)法

11、原理建立了4個(gè)模型；2個(gè)模型用于預(yù)測(cè)容易降解的物質(zhì)和不容易降解的物質(zhì)，降解性與分子結(jié)構(gòu)特征之間采用線性和非線性對(duì)數(shù)關(guān)系。2個(gè)模型對(duì)水溶液中的降解速率進(jìn)行半定量的估算。適用于降解的初級(jí)和最終過程。詳細(xì)參見：王連生，韓塑睽等編著，分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與活性，化學(xué)工業(yè)出版社，1997年3、基團(tuán)貢獻(xiàn)法預(yù)測(cè)生物降解能力 例1：直鏈烷基苯磺酸鹽烷基苯磺酸鹽：20世紀(jì)40年代出現(xiàn)，洗衣粉的主要活性成分，洗滌技術(shù)的革命，洗衣粉取代肥皂。烷基鏈：早期，煤油部分氧化法，生產(chǎn)效率低 后來，四聚丙烯法四丙基苯磺酸鹽（TPBS）：四聚丙烯與苯通過Friedel-Crafts烷基化反應(yīng)，再經(jīng)過磺化制得，混合物。典型結(jié)構(gòu)：4、設(shè)

12、計(jì)可生物降解化學(xué)品的例子 四丙基苯磺酸鹽（TPBS）的環(huán)境問題：難生物降解，降解率只有50%，河水中含量高達(dá)2mg/L，水體泡沫化的主要原因，造成水體缺氧，水生生物死亡，影響污水處理效果，增加致病細(xì)菌。直鏈烷基苯磺酸鹽（LBS）：完全能生物降解。一般由直鏈烯烴（或高級(jí)醇）與苯烷基化生產(chǎn)，直鏈可以由石蠟裂解或乙烯齊聚得到。4、設(shè)計(jì)可生物降解化學(xué)品的例子 CH3(CH2)nCH3SO3Hn=711例2：二烷基季銨化合物20世紀(jì)50年代以后，季銨化合物（QACs）主要用于紡織品處理劑、道路漆、采油用劑、礦物浮選、殺蟲劑等。QACs主要有三類物質(zhì)組成，均是在分子中引入2個(gè)長(zhǎng)鏈（C10C19)烷基來達(dá)到

13、所要求的疏水性。 、二烷基二甲銨鹽,水溶性差,不易生物降解4、設(shè)計(jì)可生物降解化學(xué)品的例子 n=917CH3(CH2)nNCH3CH3(CH2)nCH3、咪唑季銨鹽4、設(shè)計(jì)可生物降解化學(xué)品的例子 n=1416NNCH3(CH2)nCH3NH(CH2)nCH3O+、羥乙基乙銨翁季銨鹽n=1416CH3(CH2)nNHONCH3NHO(CH2)nCH3OH+ 二氫化動(dòng)物脂二甲基氯化銨織物柔軟劑，長(zhǎng)鏈烷基來自動(dòng)物油脂衍生物，C16C18烷基。 優(yōu)點(diǎn)：水中溶解度很小，廢水處理時(shí)易吸附在固體表面，95%可以除去。 缺點(diǎn)：難生物降解，較大生態(tài)毒性。 目前，DHTDMAC已被后2類QACs取代。4、設(shè)計(jì)可生物

14、降解化學(xué)品的例子 QACs使用后大都要排向市政排污處理系統(tǒng)使用后大都要排向市政排污處理系統(tǒng) 以前，織物柔軟劑市場(chǎng)上主要還是銷售二烷基二以前，織物柔軟劑市場(chǎng)上主要還是銷售二烷基二甲銨鹽類（第一類季銨鹽）物質(zhì)，即二氫化動(dòng)物脂二甲銨鹽類（第一類季銨鹽）物質(zhì)，即二氫化動(dòng)物脂二甲基氯化銨（甲基氯化銨（DHTDMAC）。）。 DHTDMAC在廢水處理系統(tǒng)中及環(huán)境中吸附在固在廢水處理系統(tǒng)中及環(huán)境中吸附在固體物質(zhì)上，體物質(zhì)上，DHTDMAC并不發(fā)生生物降解。并不發(fā)生生物降解。 而它又有較大的生態(tài)毒性。而它又有較大的生態(tài)毒性。 目前目前DHTDMAC（第一類季銨鹽）已被后兩類（第一類季銨鹽）已被后兩類季銨鹽季銨

15、鹽QACs取代。取代。 使用新的柔軟劑后，不僅其從廢水中除去的費(fèi)使用新的柔軟劑后，不僅其從廢水中除去的費(fèi)用會(huì)降低，而且新的化合物中由于引入了新的化學(xué)用會(huì)降低，而且新的化合物中由于引入了新的化學(xué)鍵類型，形成了可水解的胺鍵，因而生物降解速度鍵類型，形成了可水解的胺鍵，因而生物降解速度也更快。也更快。 咪唑型和羥乙基乙銨型季銨鹽的優(yōu)點(diǎn)：咪唑型和羥乙基乙銨型季銨鹽的優(yōu)點(diǎn)： 容易從廢水中除去；容易從廢水中除去； 更容易生物降解。更容易生物降解。 原因：引入了新的化學(xué)鍵類型，形成了可水原因：引入了新的化學(xué)鍵類型，形成了可水解的胺鍵。解的胺鍵。說明：通過改變分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分子設(shè)計(jì)，可獲得更安全的表面活性

16、劑。例如：在羥乙基銨翁季銨鹽分子中引入酯鍵取代酰胺鍵，得到更易降解的化合物，一種新的織物整理劑。4、設(shè)計(jì)可生物降解化學(xué)品的例子 n=1016CH3(CH2)nOONCH3OO(CH2)nCH3OH+例3：烷基酚乙氧基化合物 APEs是2類主要的非離子型表面活性劑之一，廣泛應(yīng)用于織物加工、聚合發(fā)泡、印刷、金屬清潔、石油鉆井和造紙等。主要產(chǎn)品是壬基酚乙氧基化合物。 APEs與另一類非離子表面活性劑直鏈醇乙氧基化合物不同，APEs大部分帶有支鏈烷基，典型結(jié)構(gòu)：4、設(shè)計(jì)可生物降解化學(xué)品的例子 CH3CH3CH3CH3OHn OCH2CH2n=1214 烷基酚乙氧基化合物APEs，尤其是NPEs引發(fā)的環(huán)

17、境問題十分復(fù)雜，目前仍有爭(zhēng)論。主要集中在單、雙乙氧基壬基酚化合物NP1EO（n=1)和NP2EO(n=2)上，因?yàn)檫@兩種物質(zhì)是NPEs降解過程中生成的較穩(wěn)定的中間物。4、設(shè)計(jì)可生物降解化學(xué)品的例子 CH3CH3CH3CH3OCH2CH2OHNP1EOCH3CH3CH3CH3OCH2CH2OCH2CH2OHNP2EO NP1EO、NP2EO和壬基酚本身對(duì)水生生物有較強(qiáng)的毒性，而長(zhǎng)鏈母體NPEs（n=3050, 常見n=1214）化合物的毒性則小得多。 當(dāng)用直鏈烷基取代支鏈烷基后，可降解速率顯著增加。烷基基酚乙氧基化合物的生物降解分?jǐn)?shù), % APE直鏈烷基支鏈烷基C8APE971514649C9A

18、PE9（C9表示烷基的碳數(shù)為9，E9表示乙氧基的個(gè)數(shù)為9）656588576675626005089253055333201018075水生生物的重要性： 取食者水生浮游生物的食物來源； 獵食者水生動(dòng)物、部分陸地動(dòng)物和人的間接食物來源。例子：綠藻的作用構(gòu)成食物鏈的最底層 光合作用，生產(chǎn)氧氣、碳水化合物和其他食物。三、設(shè)計(jì)對(duì)水生生物更加安全的化學(xué)品 藻類魚類哺乳動(dòng)物、鳥類人對(duì)生物生物有毒的化學(xué)品會(huì)使整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)處于危險(xiǎn)之中，甚至造成某些食物鏈的中斷。三、設(shè)計(jì)對(duì)水生生物更加安全的化學(xué)品 化學(xué)品對(duì)水生生物的危害： 非特征的（Non-Specific)或麻醉性的（Narcosis)：有毒化學(xué)品對(duì)大部分

19、水生生物通過麻醉作用中毒；如：氯代烴、醇、醚、酮等，有機(jī)酸和堿、簡(jiǎn)單的硝基取代化合物。 麻醉中毒：與化學(xué)品在生物膜中的擴(kuò)散有關(guān)，細(xì)胞或細(xì)胞膜中化學(xué)品的濃度達(dá)到一定值，對(duì)細(xì)胞功能產(chǎn)生非特征干擾，過量也能導(dǎo)致死亡。酯溶性化學(xué)品容易穿透細(xì)胞膜引起麻醉中毒。 特征的（Specific）：特征致命化學(xué)品通過特征毒性使水生生物中毒。如：與細(xì)胞大分子通常是蛋白質(zhì)（酶、DNA等）發(fā)生共價(jià)作用。如：腈、親電劑等。三、設(shè)計(jì)對(duì)水生生物更加安全的化學(xué)品 化學(xué)品的化學(xué)品的麻醉型毒性麻醉型毒性與其在水生生物膜中的與其在水生生物膜中的擴(kuò)散情況擴(kuò)散情況有關(guān)。有關(guān)。 如果細(xì)胞或細(xì)胞膜中化學(xué)品的濃度高到一定值，就會(huì)如果細(xì)胞或細(xì)胞

20、膜中化學(xué)品的濃度高到一定值，就會(huì)對(duì)細(xì)胞功能產(chǎn)生對(duì)細(xì)胞功能產(chǎn)生非特征性干擾非特征性干擾。 如果擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞或通過細(xì)胞膜的化學(xué)品的濃度超過如果擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞或通過細(xì)胞膜的化學(xué)品的濃度超過一定一定閾值閾值，甚至?xí)鹚劳?。，甚至?xí)鹚劳觥?因細(xì)胞膜的脂肪含量較高，故非極性脂溶性化學(xué)品比因細(xì)胞膜的脂肪含量較高，故非極性脂溶性化學(xué)品比脂不溶性化學(xué)品更易穿越，因此，通過麻醉機(jī)理致毒物質(zhì)脂不溶性化學(xué)品更易穿越，因此，通過麻醉機(jī)理致毒物質(zhì)的的相對(duì)毒性相對(duì)毒性與其與其脂溶性脂溶性有關(guān)。有關(guān)。三、設(shè)計(jì)對(duì)水生生物更加安全的化學(xué)品 有些化學(xué)品本身或其代謝產(chǎn)物可以與細(xì)胞大分有些化學(xué)品本身或其代謝產(chǎn)物可以與細(xì)胞大分子發(fā)生

21、某種特定的化學(xué)反應(yīng)，這些物質(zhì)除產(chǎn)生麻醉子發(fā)生某種特定的化學(xué)反應(yīng)，這些物質(zhì)除產(chǎn)生麻醉作用外還會(huì)有額外的毒性，稱為特征型。作用外還會(huì)有額外的毒性，稱為特征型。 比如，如果一個(gè)化學(xué)品能與各種蛋白質(zhì)（如比如，如果一個(gè)化學(xué)品能與各種蛋白質(zhì)（如酶、酶、DNA）等形成共價(jià)鍵，則可預(yù)測(cè)它具有特征型）等形成共價(jià)鍵，則可預(yù)測(cè)它具有特征型毒性。比如腈、親電劑等，就對(duì)水生生物有特征毒毒性。比如腈、親電劑等，就對(duì)水生生物有特征毒性。性。 1、利用構(gòu)效關(guān)系預(yù)測(cè)水生毒性 1976年，美國會(huì)通過“毒物控制法案”， 原則：先評(píng)價(jià)其危險(xiǎn)性，后使用。 在一個(gè)新的化學(xué)物質(zhì)投入商用之前表征和充分了解其危險(xiǎn)性，把危險(xiǎn)性降低到最小程度或預(yù)

22、防其危險(xiǎn)性發(fā)生。要求：美國環(huán)境保護(hù)署 建立已商用化學(xué)品目錄，即TSCA庫； 任何人如要生產(chǎn)或引進(jìn)一個(gè)TSCA庫中沒有的化學(xué)品，必須向EPA提交預(yù)生產(chǎn)通告； EPA在90天內(nèi)必須對(duì)該新物質(zhì)是否對(duì)人類健康和環(huán)境有危險(xiǎn)作出明確的判斷。1、利用構(gòu)效關(guān)系預(yù)測(cè)水生毒性 EPA利用構(gòu)效關(guān)系預(yù)測(cè)其生物毒性 做法：參考一組類似化學(xué)品產(chǎn)生的生物效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)差異引起的相對(duì)生物活性的差異，把構(gòu)效關(guān)系定量化，得出生物毒性的精確預(yù)測(cè)。水生生物毒性定量構(gòu)效關(guān)系構(gòu)筑的常用物理性質(zhì)： 辛醇水分配系數(shù)（log P); 水溶性； 解離常數(shù)（pKa); 相對(duì)分子量； 胺氮百分?jǐn)?shù)（不包括苯胺類和在pH=7時(shí)無堿性的胺，如酰胺、脲等）。

23、2、結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的調(diào)變 影響水生生物毒性的物理和化學(xué)因素： 水溶性； 油溶性； 顏色； 形成內(nèi)鹽； 酸、堿性； 分子大小； 最小截面積（運(yùn)動(dòng)直徑）； 物理狀態(tài)（氣、液、固）等。更加安全的化學(xué)品：在水中溶解度很小（8)。（1）辛醇水分配系數(shù) log P與水生生物毒性的關(guān)系：麻醉性毒性的非離子有機(jī)化合物 log P 5，致死性和慢性毒性隨log P呈指數(shù)增大； log P5，致死性和慢性毒性隨log P呈指數(shù)降低； log P 58，長(zhǎng)期接觸慢性中毒； log P8，不中毒； 例外： 脂肪醇、氯代苯、丙酮、二硫化物， “反應(yīng)性”化學(xué)品，丙烯酸鹽、酯等，log P=6時(shí)仍是劇毒的； “反應(yīng)性”

24、化學(xué)品，脂肪胺、表面活性劑等，log P8仍然劇毒。（1）辛醇水分配系數(shù) log P與水生生物毒性的關(guān)系：麻醉性毒性的非離子有機(jī)化合物 log P 2的化合物，沒有足夠的油溶性，不能進(jìn)入水生生物的細(xì)胞膜，毒性很小。 結(jié)論： log P8或2，對(duì)水生生物的毒性很小。方法： 分子中引入極性基團(tuán)如羧基、醇羥基等，增加水溶性，降低油溶性，使log P8。（2）水溶性 麻醉性化學(xué)品：水溶性很小和很大時(shí)，生物活性很低，對(duì)水生生物毒性很小。 水溶性9353氣味可控隨氧化程度增大水生生物毒性，mg/L411可再生原料天氣及需求水溶性，Kb50010053可加熱否毒性較低中等毒性殘留物不是（3）分子大小和相對(duì)分

25、子量 增大相對(duì)分子量，降低水生生物毒性 1000時(shí)，毒性可以忽略，大分子不能擴(kuò)散通過水生生物的呼吸膜。增大分子體積，降低水生生物毒性 最小橫截直徑1nm的分子，不易在水生生物的呼吸器官中擴(kuò)散和通過。 例：天然酞菁染料（Phthalocyanine Dyes），最小橫截直徑1nm，對(duì)水生生物毒性很小。酞菁化合物 金屬螯合物，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 染料、光敏劑、催化劑（選擇性氧化）等 NNNNNNNNR4R1R2R3MM=Fe, Co, Ni, Cu, Zn（4）離子對(duì) 一些鹽類的正負(fù)離子之間作用力很強(qiáng)，以強(qiáng)離子對(duì)的形式存在，在水中解離度很小，水溶性很低，毒性很小或沒有毒性。強(qiáng)離子對(duì)：離子型表面活性劑，能在水

26、中自分散，一定濃度（CMC）下形成膠束。將可溶性帶電物質(zhì)轉(zhuǎn)化成強(qiáng)離子對(duì)，降低毒性。 例子：陽離子表面活性劑，對(duì)魚、水生無脊椎動(dòng)物和海藻有毒。 殺蟲劑：配成離子型表面活性劑中性復(fù)合物，增大生物活性。配成陰陽離子表面活性劑1：1的強(qiáng)離子對(duì)，表面活性劑的毒性降低至1/100。對(duì)水生生物更加安全。（5）兩性離子 兩性離子：分子中既含帶正電基團(tuán)，又含帶負(fù)電基團(tuán)的物質(zhì)。例如：酸性藍(lán)1號(hào)兩性離子只要分子中的正負(fù)電荷相等，一般對(duì)水生生物毒性很小。特例：兩性離子表面活性劑，正負(fù)電荷不相等，有毒。N(CH2CH3)2N(CH2CH3)2NaO3SSO3+_+（6）螯合作用 螯合作用：有機(jī)分子中有2個(gè)或2個(gè)以上的供

27、電原子（N、O、S等）與金屬離子形成多個(gè)共價(jià)鍵(Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Mg2+、Ca2+等),最終形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)螯合物。螯合物十分穩(wěn)定。能與多價(jià)金屬離子發(fā)生螯合作用的物質(zhì)通常對(duì)水藻有毒，因?yàn)樗芘c水藻的營養(yǎng)物質(zhì)Ca、Mg、Fe等離子螯合。硬水中螯合劑的毒性顯著降低。3、對(duì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾 （1）麻醉與超額毒性特征毒性有機(jī)化合物：親電性物質(zhì) 環(huán)氧化物、鹵代烴、丙烯酸酯、醛類、酯類、二硝基苯類、硫醇等。 親電性物質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)大分子中的親核部位形成共價(jià)鍵，使細(xì)胞發(fā)生不可復(fù)原的變化（變性），造成不可逆中毒。麻醉性中毒：親電性物質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)大分子中的親核部位形成氫鍵等弱作用力，使細(xì)胞發(fā)生可復(fù)

28、原的變化，通常造成可逆中毒。3、對(duì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾 親電前體：一些不具有親電特性，但能在生物代謝過程中生成親電物種的物質(zhì)稱為親電前體。超額毒性：代謝產(chǎn)生的特征性物質(zhì)表現(xiàn)出的超過麻醉模型QSAR預(yù)測(cè)值的毒性。 預(yù)測(cè)毒性：TAP 實(shí)測(cè)值：TAT 超額毒性：TATTAP一些物質(zhì)的LD50預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比 物質(zhì)Log P超額毒性預(yù)測(cè)值實(shí)測(cè)值3-氯-2-甲基丙烯1.8514156111,3-二氯-2-丙醇0.206801180017乙酸丙基乙二醇單乙醚1.1369148022烯丙基氯0.651604090263-氯-1-丙醇0.0071701370081乙二醇乙酸單甲酯0.1219013000691

29、,2-環(huán)氧丙烷-0.27170660097丙烯酰胺0.8646083000180烯丙基縮水甘油醚-0.337837600480環(huán)氧乙烷-0.799043800490烯丙基溴1.594901-氯-2,3-環(huán)氧丙烷-0.212322700990烯丙醇-0.2511570015700季戊四醇烯丙醚-1.6100184000018400丙稀醛0.101000mg/LOHOHCOOH4、染料有機(jī)染料根據(jù)其基團(tuán)特性分為4類：中性染料非離子型染料；陰離子染料帶負(fù)電荷染料，酸性染料；兩性染料分子中同時(shí)帶有正電荷和負(fù)電荷；陽離子染料帶正電荷。 帶電荷染料的物理化學(xué)性質(zhì)與水生生物毒性之間沒有定量的QSAR。 中性

30、染料，有定量的QSAR。（1）中性染料分散染料固體或液體懸浮物 難溶于水、熔點(diǎn)高，對(duì)水生生物毒性很小。增加水溶性： 加上極性基團(tuán)，如4個(gè)以上的乙氧基、醇基、酮基等。 需要綜合考慮毒性特征：相對(duì)分子量1000，或最小分子橫截直徑1nm，對(duì)魚類和水蚤毒性很小。（2）陰離子染料陰離子染料：又稱酸性染料，含有1個(gè)或多個(gè)酸性基團(tuán)。大部分酸性染料結(jié)構(gòu)中含有蒽醌、萘酚和二硝基苯，當(dāng)相對(duì)分子量1000時(shí)，對(duì)水生生物無毒性。一元酸或與金屬螯合的二元酸，相對(duì)分子量1000。分子量3。大部分酸性染料對(duì)水藻有中等毒性。 原因：染料顏色表現(xiàn)出的間接掩蔽作用，吸收太陽光阻礙了水藻的光合作用。（3）金屬化酸性染料與金屬螯合

31、的酸性染料。螯合的金屬通常為Fe、Cu、Co、Al、Ni、Cr、Zn等。一般含有未絡(luò)合的游離金屬，其中Al、Cr、Co等對(duì)水生生物有毒。設(shè)計(jì)方法： 增加分子量1000； 盡可能用Fe、Zn、Cu，不用Al、Cr、Co； 盡可能降低游離金屬離子的濃度。金屬化酸性染料結(jié)構(gòu) NNNNNNNNSO3NaSO3NaSO3NaSO3NaMM=Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Cr（4）陽離子染料帶正電荷，正電荷分布于C、N、O、S等原子上。定域化陽離子染料：正電荷集中在某一特定的原子上。離域化陽離子染料：正電荷不是集中在某一原子上，而是與其他雜原子形成共軛體系。NNNCH3NCH3CH3CH3+X-SNNCH3CH3NCH3CH3X+陽離子染料的毒性定域化陽離子染料：對(duì)水生生物均有極大的毒性，染料分子與水生生物膜表面結(jié)合，使膜功能瓦解，吸收后還引發(fā)內(nèi)中毒。離域化陽離子染料：“表觀毒性”相對(duì)較低，主要是內(nèi)中毒而不是表面膜功能瓦解。腐植酸有助于降低陽離子染料的毒性：10mg/L的腐植酸中，定域化染料對(duì)魚的急性中毒降低910倍，離域化染料毒性降低1920倍。相對(duì)