綠色化學(xué)設(shè)計更加安全化學(xué)品的應(yīng)用

2023/1/31

《綠色化學(xué)》電子教案湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第四章

設(shè)計更加安全化學(xué)品的應(yīng)用2023/1/31

目錄第一節(jié)用硅對碳進(jìn)行等電排置換設(shè)計更加安全的化學(xué)品第二節(jié)、設(shè)計可生物降解的化學(xué)品第三節(jié)、設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品2023/1/31第一節(jié)用硅對碳進(jìn)行等電排置換設(shè)計更加安全的化學(xué)品

如前所述，等電排置換是設(shè)計更加安全的化學(xué)品的有效方法之一，對于一些有毒有機(jī)物質(zhì)而言，有時其中的一個碳被硅取代后，不僅可以大大降低其毒性，而且還可以增大其可降解性等對環(huán)境友好的性能。2023/1/31第一節(jié)用硅對碳進(jìn)行等電排置換設(shè)計更加安全的化學(xué)品從化學(xué)上看，用硅作為碳的等電排原子是再自然不過的了。因為碳和硅都是4A族元素，因此，在化學(xué)性質(zhì)上有相似性。與同簇的其他元素一樣，硅和碳都是4價金屬，能形成四面體結(jié)構(gòu)，能與碳形成穩(wěn)定化學(xué)鍵。雖然，目前對硅酮移置物尚有爭論，但一般來說，硅取代碳后形成的衍生物是無毒的，尤其是與同族的鍺、錫、鉛的衍生物相比。因此，硅是唯一一個能用作對碳作等電排置換的元素。另外，硅是在自然界存量豐富、價廉，且可以各種形式出現(xiàn)的元素。一、硅是碳的等電排原子

2023/1/31第一節(jié)用硅對碳進(jìn)行等電排置換設(shè)計更加安全的化學(xué)品有機(jī)硅化合物的一個引人入勝之處在于其Si-C鍵的環(huán)境特性，在自然界中直今還沒有發(fā)現(xiàn)C-Si鍵化合物。這是因為，在自然界中Si－O鍵太強(qiáng)，因而即使存在有有機(jī)硅化合物，其存在時間也是有限的。

例如，早期研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)傳遞質(zhì)乙酰膽堿（Acetylcholine）的天然類似物尿烷，

2023/1/31第一節(jié)用硅對碳進(jìn)行等電排置換設(shè)計更加安全的化學(xué)品就是乙酰膽堿的拮抗藥，硅取代物與其對應(yīng)碳化合物的藥劑反應(yīng)曲線完全相同，但老鼠實驗發(fā)現(xiàn)，硅取代物的毒性要比對應(yīng)碳化合物的低得多。氨基甲酸酯殺蟲劑的硅等電置換物，與其對蒼蠅有相似的毒性，但后者卻更易于降解，因此，用硅取代后，分子具有相同的殺蟲功效，而對環(huán)境的危害減小。

2023/1/31第一節(jié)用硅對碳進(jìn)行等電排置換設(shè)計更加安全的化學(xué)品盡管硅元素是與碳元素最相似的元素，他們的化合物在性能上有一定的相似形，但并非所有情況下都可以用硅代替碳，有時有嚴(yán)格的限制。硅形成的雙鍵或三元環(huán)化合物在空氣及潮氣中均極不穩(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，增大與硅相連的氫原子的數(shù)目將使其更易被氧化，硅烷SiH4能生火花。另一方面，近年也有關(guān)于聚硅烯在空氣中穩(wěn)定存在的報道。

二、硅化合物和碳化合物的差異2023/1/31第一節(jié)用硅對碳進(jìn)行等電排置換設(shè)計更加安全的化學(xué)品

H2C=CH2乙烯穩(wěn)定；

H2Si=CH2硅乙烯不穩(wěn)定[CH2CH2CH2CH2CH2CH2]n聚乙烯,穩(wěn)定；[SiH2－CH2－CH2－SiH2－CH2－SiH2－CH2]n聚硅乙烯對空氣穩(wěn)定2023/1/31第一節(jié)用硅對碳進(jìn)行等電排置換設(shè)計更加安全的化學(xué)品另外，由于硅原子與碳原子的大小有一定差異，因此，其化學(xué)反應(yīng)性能也有重大差異。當(dāng)硅原子與不能飽和碳原子鄰近相連時，化合物是穩(wěn)定的，但與其碳類似物質(zhì)相比，卻又會被酸催化而發(fā)生C－Si鍵斷裂。因此，在用硅對碳進(jìn)行等電排置換時要考慮目標(biāo)物的使用環(huán)境，合理利用這些特性，這就為設(shè)計環(huán)境上可降解產(chǎn)物提供了用武之地。

2023/1/31第一節(jié)用硅對碳進(jìn)行等電排置換設(shè)計更加安全的化學(xué)品三、有機(jī)硅化合物的降解和氧化代謝在設(shè)計更加安全的化學(xué)品時，一個十分重要的要考慮的內(nèi)容就是該物質(zhì)在環(huán)境中的命運(yùn)，非生物降解和生物氧化均十分重要。能生成降解為無毒無害物質(zhì)是最理想的，用硅置換碳后有可能同時增大非生物降解和生物氧化的可能性。2023/1/31第一節(jié)用硅對碳進(jìn)行等電排置換設(shè)計更加安全的化學(xué)品（一）?

非生物降解目前最常見的有機(jī)硅化合物是聚硅酮，它是1，1二甲硅二醇的聚合物，曾一度被認(rèn)為是在環(huán)境中能穩(wěn)定存在的，近來發(fā)現(xiàn)，在水和土壤中它能降解。進(jìn)一步用14C標(biāo)記甲基研究發(fā)現(xiàn)，甲基可由光化學(xué)反應(yīng)使其發(fā)生Si－C鍵斷裂與硅分開，最后產(chǎn)物是硅酸鹽。2023/1/31第一節(jié)用硅對碳進(jìn)行等電排置換設(shè)計更加安全的化學(xué)品早期在全甲基硅氧烷存在下微生物生長研究發(fā)現(xiàn)，C－Si鍵能發(fā)生生物斷裂。近來的研究發(fā)現(xiàn)，微生物可利用二甲基聚硅酮中的碳，使其轉(zhuǎn)化為二氧化碳，14C標(biāo)記的聚硅酮的土壤孵化實驗發(fā)現(xiàn)釋放出14CO2證明了這一點。Fessenden等關(guān)于有機(jī)硅烷在脯乳動物中代謝的開創(chuàng)性工作發(fā)現(xiàn)，苯基和烷基硅烷的氧化與其碳烷類似。二甲基苯硅烷與二甲基苯甲烷的對比研究發(fā)現(xiàn)，硅取代物在體內(nèi)氧化時，其Si－H鍵氧化速率很快。而與硅相連的C－H鍵的氧化則與其碳取代物類似。2023/1/31第一節(jié)用硅對碳進(jìn)行等電排置換設(shè)計更加安全的化學(xué)品四、硅取代的環(huán)境安全化學(xué)品的例子

在藥物化學(xué)研究中已廣泛使用硅碳等電排方法，在農(nóng)用化學(xué)品方面也有許多研究。由于近來特別注意殺蟲劑在環(huán)境中的行為，因此，關(guān)于殺蟲劑的硅碳等電排置換的例子較多。實例一：DDT的硅取代物盡管DDT對哺乳動物來說相對比較安全，但由于它對其他物種有毒性，同時會在環(huán)境中長期存在，因此，不得不放棄這一重要?dú)⑾x劑的使用。在設(shè)計DDT的硅等電排取代物中，設(shè)計了如下所示的DDD類硅烷類物質(zhì)：2023/1/31第一節(jié)用硅對碳進(jìn)行等電排置換設(shè)計更加安全的化學(xué)品希望它（DDD）在環(huán)境中的存留時間會短一些，因為硅烷在體內(nèi)和環(huán)境中均會由于Si－H鍵的氧化而變得不穩(wěn)定。

2023/1/31第一節(jié)用硅對碳進(jìn)行等電排置換設(shè)計更加安全的化學(xué)品實例二：有機(jī)硅殺真菌劑

Meberg及其合作者制備了一系列硅取代三唑類化合物，為殺真菌劑的開發(fā)開辟了一條新的途徑。其中一個，氟苯代硅三唑（Flusilazole）對谷類防真菌特別有效，已是目前商用的主要谷類防真菌劑。

氟苯代硅三唑與其他防真菌劑（非硅取代物）一樣，對甾醇的合成有生物抑制作用。其一級代謝產(chǎn)物為硅醇，硅醇生物活性很小，同時由于它處于更高的氧化態(tài)，因而容易進(jìn)一步降解。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品

綠色化學(xué)的重要任務(wù)之一就是要從源頭上消除或減少有害物質(zhì)的排放?！坝押迷O(shè)計”（BenignbyDesign）的概念應(yīng)可用于目標(biāo)物質(zhì)的分子設(shè)計，通過目標(biāo)產(chǎn)物的分子設(shè)計使其減少毒性，可生物降解為無毒產(chǎn)物，即在化學(xué)品制造過程中，首先對目標(biāo)分子本身進(jìn)行設(shè)計而不是設(shè)計其生產(chǎn)過程。增大分子的可生物降解性是預(yù)防污染的一條十分重要的途徑。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品抗拒生物降解的化學(xué)品可能具有對生物區(qū)系施展毒性的可能，而這一切并非在其釋放于環(huán)境時我們就能完全知道或預(yù)測。另外，既能長期殘留于環(huán)境又能發(fā)生生物聚集的化學(xué)品應(yīng)引起我們更大的注意，因為其含量會由于生物聚集而提高，且用嚴(yán)格的毒性標(biāo)準(zhǔn)來衡量時表面上無毒性，但可能引發(fā)慢性的或不可預(yù)測的毒性。在水溶液及土壤環(huán)境中，有機(jī)物的降解機(jī)理主要是生物降解，這也是現(xiàn)代污水處理廠水處理的理論基礎(chǔ)。因此，通過分子設(shè)計不僅可增大化學(xué)品的安全性，同時也可增大產(chǎn)生的污物的可處理性。本節(jié)將介紹用于增大可生物降解性的分子設(shè)計原理。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品一、生物降解的細(xì)菌基礎(chǔ)生物降解過程并非限于細(xì)菌世界，微生物（主要是細(xì)菌和真菌）是目前在自然界生物降解中起主要作用的試劑，無論是從其轉(zhuǎn)化的物質(zhì)還是其使物質(zhì)降解的程度上講均是這樣。眾多證據(jù)說明，不能被高級有機(jī)體影響（降解）的大部化學(xué)品的降解是靠微生物來完成的。大多數(shù)情況下，動物排泄出他們不能再代謝的化學(xué)物質(zhì)，而植物則趨向于把他們轉(zhuǎn)化為不溶于水的物質(zhì)形式以存于植物中，而微生物家族則具有分解代謝多面手的特征，在食物存在下迅速生長、高代謝活性和種屬多樣性特征。有機(jī)物質(zhì)的最終礦物化主要就是微生物降解的結(jié)果。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品通常，有機(jī)物要首先通過細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入微生物細(xì)胞中，這一穿透過程可以是被動的擴(kuò)散作用也可以是在某些傳輸系統(tǒng)的幫助下完成。尤其是在水溶液中及土壤環(huán)境中時，這種傳輸系統(tǒng)的介入是必須的，因為此時有機(jī)底物和其他營養(yǎng)物濃度均很低。在有些情況下，比如蛋白質(zhì)、多糖等大的聚合物底物的降解，是先在細(xì)胞外酶作用下降解為小的化合物，這些化合物可被轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)。

2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)后，物質(zhì)能發(fā)生的反應(yīng)就與其分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的數(shù)百種轉(zhuǎn)化可分為氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、水解反應(yīng)和聯(lián)合反應(yīng)（ConjugativeReaction）。微生物族的分解代謝（Catabolic）途徑是多種多樣的，同時也與環(huán)境條件有關(guān)。但微生物利用化合物的基本原理是相同的，即分步降解為一個或多個中間物，這些中間物能進(jìn)入代謝的中心途徑，而總目標(biāo)是生成生長需要的碳和能量，有時化合物的部分生物降解會產(chǎn)生有毒和能長久殘留的中間物。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品天然有機(jī)化合物能通過其在適當(dāng)條件下生長的步驟降解，Daley寫道：“現(xiàn)在我們有理由相信生物化學(xué)合成的有機(jī)化合物都是可生物降解的?！痹S多人造化學(xué)品與天然物質(zhì)相同或相似，同時，人類活動也制造了一些以前從未見過或自然界中很少見的物質(zhì)。然而，其中許多也可被微生物進(jìn)攻，這一現(xiàn)象稱為“幸運(yùn)代謝”（FortuitousMetabolism）或“無償代謝”（GratuitousMetabolism）。這是因為，降解酶通常對其能降解的自然底物沒有絕對的專一性。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品二、化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物降解性

（一）不易生物降解的化學(xué)結(jié)構(gòu)４0年來,化學(xué)工業(yè)界、大學(xué)的研究及環(huán)境監(jiān)測的結(jié)果表明，相對微小的分子結(jié)構(gòu)改變可極大地影響化學(xué)品的生物降解性能。這些研究發(fā)現(xiàn)，具有下述結(jié)構(gòu)特征的分子對需氧生物降解具有抗拒作用。（1）鹵代物，尤其是氯化物和氟化物。（2）支鏈物質(zhì)，尤其是季碳和季氮或是極度分支的物質(zhì)，如三聚或四聚丙烯。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品（3）硝基（Nitro），亞硝基（Nitroso），偶氮基（Azo），芳氨基（Arylamino）（4）多環(huán)殘基（比如多環(huán)芳香烴或稠環(huán)芳烴，PAHS），尤其是超過3元的多環(huán)稠環(huán)或芳烴。（5）雜環(huán)殘基，比如吡啶環(huán)。（6）脂肪族醚鍵（C―O―C）。（7）高取代的化合物比低取代的化合物更不易降解。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品即具有上述基團(tuán)的化合物難于生物降解。當(dāng)然，上述并未完全列出難于降解物質(zhì)的所有特征。另一方面也不能因為某物含有一個上述基團(tuán)或原子就推論該物質(zhì)難于降解。大多數(shù)情況下，增大物質(zhì)可生物降解性的機(jī)理并不知道。但這并不能妨礙我們應(yīng)用這些原理進(jìn)行設(shè)計。在大多數(shù)情況下，上述結(jié)構(gòu)特征會影響降解酶對物質(zhì)的引發(fā)作用或影響他們作為底物的能力，同時阻礙這些物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的傳輸。例如，在苯環(huán)上引入氯原子就會使氧化酶難于進(jìn)攻苯環(huán)，因氧化酶是要利用親電的氧作為共存底物（即反應(yīng)物之一）。因此，在化學(xué)分子設(shè)計中應(yīng)盡可能避免使用強(qiáng)吸電子的取代基比如鹵素。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品（二）可生物降解的化學(xué)結(jié)構(gòu)

與上述相反，具有如下結(jié)構(gòu)特征的分子具有較好的生物降解能力。（1）具有水解酶潛在作用位的物質(zhì)會增大其生物降解能力（比如酯、胺）。（2）在分子中引入以羥基、醛基、羧基形式存在的氧會增大其生物降解性。（3）存在未取代的直鏈烷基（尤其是大于4個碳的直鏈）和苯環(huán)時，由于可受氧化酶進(jìn)攻，因而可增大其生物降解能力。（４）水中溶解度大的物質(zhì)更容易生物降解（見下）。（5）相對低取代的化合物。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品其中分子中含有各種可增大降解能力的氧尤為重要，因為許多化合物尤其是烴類降解的第一步就是由氧化酶作用下向分子結(jié)構(gòu)內(nèi)引入氧，而這一步通常是速度控制步驟。即降解的第一步是某種形式的氧化反應(yīng)，而如果我們在分子設(shè)計過程中已經(jīng)在分子中引入氧，則分子的生物降解可能性會明顯增強(qiáng)。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品（三）物質(zhì)在水中的溶解度與可降解性分子骨架結(jié)構(gòu)上的取代基數(shù)目和物質(zhì)分子的水溶性對物質(zhì)的可生物降解能力有較大影響，但要把這一原理用于具體物質(zhì)有很大的困難。對于改性纖維素（甲基取代纖維素）這樣的聚合物，取代度是一個精確的概念且可有預(yù)測值。但對于大多數(shù)非聚合結(jié)構(gòu)，這就不對了。溶解度可能具有如下一種或多種影響：（1）微生物生物利用度（MicrobialBio-availability）：不溶性化學(xué)品趨于吸附在活性淤泥、沉積物和土壤上，因而被分隔，許多研究表明，這會降低其生物降解速度。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品（2）溶解速度：許多研究表明，對溶解度很低的固體物質(zhì)，僅溶解了的部分及分散相才能受到微生物的作用。因此，溶解速度快的物質(zhì)被降解的可能性要大一些。同時，許多微生物能分泌表面活性劑（比如鼠李糖脂）從而于加速溶解過程。（3）水溶液中的低濃度（LowAqueousConcentration）：一些研究表明，在水中溶解度低于僅每升幾毫克或更少時，這樣的濃度實在太低，細(xì)胞酶和傳輸系統(tǒng)就無法發(fā)揮其最佳功能，因此，也難于生物降解。

2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品一般說來，在其他條件相同的情況下，對于水溶性不好的化學(xué)品，在其中引入增大其溶解度的基團(tuán)可增大其可生物降解性。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品三、基團(tuán)貢獻(xiàn)法預(yù)測生物解降能力根據(jù)化學(xué)品的結(jié)構(gòu)預(yù)測其相對降解速度的能力對設(shè)計更加安全的化學(xué)品會很有幫助。R.S.Boethling等用基團(tuán)貢獻(xiàn)法原理建立了一套四個模型用以預(yù)測可生物降解能力。其中兩個模型用于預(yù)測容易降解的物質(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數(shù)關(guān)系。另外兩個模型則針對水溶液中的降解速度作半定量的估價，適用于降解的初級和最終過程。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品四、設(shè)計可生物降解化學(xué)品的例子1．線性烷基苯磺酸LinearAlkylbenzeneSulfonates（LAS）基于線性烷基苯磺酸發(fā)展出來的去污劑是分子工程成功用于增大可生物降解性從而被環(huán)境接受的例子。從40年代開始，我們就用人造烷基苯磺酸表面活性劑（ABS）代替肥皂作為日用化學(xué)品表面活性劑，一開始，烷基鍵是由煤油部分衍生物而得，但很快就被由四聚丙烯獲得的ABS取代。四聚丙烯基苯磺酸鹽（TetrapropylenealkylbenzeneSulfate（TPBS）是一個更有效更經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品，可由烷基部分與苯通過一步Friedel－Crafts反應(yīng)，然后再在苯環(huán)上磺化得到。這一方法制得的TPBS是一個混和物，其典型結(jié)構(gòu)為：

2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品使用這一化合物后，立即引發(fā)了另一個問題，環(huán)境問題，這一支鍵化合物在市政廢物處理系統(tǒng)中不能完全降解。Painter在《環(huán)境化學(xué)手冊》中對此是這樣繪聲繪色地描述的：2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品TPBS在廢物處理系統(tǒng)中僅降解50%，因而在活化通風(fēng)罐內(nèi)充滿大量過量的泡沫，接受廢水的河里也是這樣。這些泡沫遠(yuǎn)比引入合成表面活性劑以前淤泥中的蛋白質(zhì)類物質(zhì)有害，在極端情況下，游泥處理工人可能會因為泡沫使路太滑而從走道上不慎掉入泡沫罐中窒息而死。由于TPBS不能完全降解，河中其濃度高達(dá)2mg·L-1，因此，排水口也會產(chǎn)生大量的泡沫。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品泡沫還會影響污水處理廠的效率，增大致病細(xì)菌處置的可能性。經(jīng)研究最終發(fā)展了線性烷基苯磺酸LAS苯代替TPBS，LAS表面活性劑在污水處理廠能完全降解。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品2．二烷基季銨（DialkylQuaternaries）

50多年前，Domagk發(fā)現(xiàn)，在簡單的季銨上引入長的烷基后，其對生物的危害性大為改善，自此，季胺（QACs：quaternaryammoniumcompounds）類表面活性劑受到高度重視。目前仍有QAC類殺蟲劑在使用，但目前QACs的主要市場是織物柔軟劑）。另外，QACs還用于手工業(yè)上，比如紡織品加工過程中的多種用途，鋪路，油井探路，礦物浮選等，據(jù)統(tǒng)計，市用QACs有66%由三類物質(zhì)組成，每一類均由二烷基季胺化合物組成，即疏水性（hydrophobicity）通過在分子中引入兩個長鏈（C20~C-19）的烷基而引入。這三類物質(zhì)分別是：2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品QACs使用后大都要排向市政排污處理系統(tǒng)。直到最近，積物柔軟劑市場上主要還是銷售二烷基二甲銨鹽類QAC物質(zhì)，即氨化二氫化動物脂二甲基氨銨（dihydrogeatedtallowdimethylammoniumchloride簡記為DHTDMAC）。其長鏈烷基由動物提純物衍生而得，通常含有C16－C18碳鏈，DHTDMAC在水中的真溶解度很小，因此，它在廢水處理系統(tǒng)中及環(huán)境中吸附在固體物質(zhì)上。因此，95%以上可以被除去，這一點與TPBS不同，但是DHTDMAC也并不發(fā)生生物降解。由于DHTDMAC在水環(huán)境中降解速度很低，而它又有較大的生態(tài)毒性。90年代以前使用量又巨大，尤其是歐洲。歐洲的水表面已有相當(dāng)高的DHTDMAC負(fù)載量。故其使用受到限制。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品目前DHTDMAC已被后兩類QACs取代。使用新的柔軟劑后，不僅其從廢水中除去的費(fèi)用會降低，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，因而生物降解速度也更快。這是我們看到通過改變分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分子設(shè)計，可獲得更安全的表面活性劑，另一個有用的例子是，在上述羥乙基銨翁季銨鹽的基礎(chǔ)上，在分子中引入脂鍵以取代酰胺鍵，則得到一個更易降解的化合物，可用作織物整理劑。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品

3．烷基酚乙氧基化物（alkylphenolethoxylates）：烷基酚乙氧基化物（APES）是兩類主要非離型表面活性劑的一類。APE廣泛用于包括織物加工，聚合發(fā)泡、印刷、金屬清潔、石油鉆井及紙張制造等工業(yè)過程。壬基酚乙氧基化物（Nonylphenolethoxylates，簡稱為NPEs）是APEs中的主要產(chǎn)品，壬基酚乙氧基化物在美國APE生產(chǎn)中占75%（1980年）。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品與線性醇乙氧基化物不同（線性醇乙氧基化物是另一類非離型表面活性劑），APEs大部分帶有支鏈。用直鏈烷基取代支鏈烷基的工作目前仍未大規(guī)模展開。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品APEs尤其是NPE引發(fā)的環(huán)境問題是復(fù)雜的，仍引起爭論。大部分注意力集中在單、雙乙氧基壬基酚加合物NPIEO（n=1）和NP2EO（n=2）上，因這兩個物質(zhì)是NPE降解過程中生成的較穩(wěn)定的中間物。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品NPIEO、NP2EO和壬基酚本身對水生生物有極強(qiáng)的毒性，而長鏈的母體NPEs（OCH2CH2的數(shù)目可達(dá)30-50，常見的為12~14）化合物的毒性則小得多。而最近則有關(guān)于壬基酚，NP2EO及相關(guān)化合物為魚雌激素的報道。當(dāng)用直鏈烷基取代支鏈烷基后，物質(zhì)的可降解速度肯定會加快。實驗數(shù)據(jù)支持上述推論，如表4-1所示。2023/1/31第二節(jié)設(shè)計可生物降解的化學(xué)品

2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品

水生生物在生態(tài)系統(tǒng)中扮演著其獨(dú)特的角色，對其它物種包括取食者和捕獵者的生存起著十分重要的作用。同時，水生生物還構(gòu)成了直到人的食物鏈，綠水藻是水生生態(tài)系統(tǒng)前期生產(chǎn)的，通過光合作用，它們生產(chǎn)氧氣、碳?xì)浠衔锖推渌澄?；取食者食用這些物質(zhì)；而取食者又被象魚這樣的捕獵者食用；魚則作為哺乳動物、鳥和人的食物。因此，對水生生物有毒的化學(xué)品就可能會使生態(tài)系統(tǒng)處于危險之中，甚至造成某些食物鏈中斷。陸生物種、包括人，就至少在一定程度上依賴于水生生物。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品化學(xué)品對水生生物的致命危害有兩類，即非特征的（Non-Specific）或曰麻醉性的（Narcosis）和特征的（Specific），大部分對水生生物有毒的化學(xué)品都是通過麻醉作用而使水生生物中毒的，一些化學(xué)品則具有另外的特征的毒效模式。特征致命化學(xué)品均有其特殊機(jī)理，其分子通常能與細(xì)胞大分子反應(yīng)，從而產(chǎn)生除麻醉作用模式以外的其他毒性。比如，這類物質(zhì)可以與酶發(fā)生共價作用。僅通過麻醉作用使水生生物中毒的化學(xué)品通常不能與細(xì)胞大分子發(fā)生反應(yīng)，比如氯代烴、醇、醚、酮等有機(jī)酸和堿、簡單的硝基取代芳香族化合物等。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品化學(xué)品的麻醉型毒性與其在水生生物膜中的擴(kuò)散情況有關(guān)，如果細(xì)胞或細(xì)胞膜中化學(xué)品的濃度高到一定值，就會對細(xì)胞功能產(chǎn)生非特征性干擾（Non-SpecificPerturbations）。如果擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞或通過細(xì)胞膜的化學(xué)品的濃度超過一定閾值，甚至?xí)鹚劳觥Ｒ蚣?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)理致毒的非極性物質(zhì)的相對毒性與其脂溶性有關(guān)，這與氣體麻醉劑類似。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品與麻醉型化學(xué)品不同，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)生麻醉作用外還會有額外的毒性，稱為特征型。比如，如果一個化學(xué)品能與各種蛋白質(zhì)（如酶、DNA）等形成共價鍵，則可預(yù)測它具有特征型毒性。比如腈、親電劑等，就對水生生物有特征毒性。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品一、利用構(gòu)效關(guān)系預(yù)測水生毒性從70年代開始，我們就發(fā)現(xiàn)許多工業(yè)化學(xué)品對人和環(huán)境有嚴(yán)重的毒性。同時，與食品和藥品不同，目前還沒有對商用化學(xué)品的危險性立法予以評價和建立法律規(guī)定其使用。1976年，美國國會通過了“毒物控制提案（ToxicSubstanceControlAct簡記為TSCA）。美國以前的其它法律條文是評價在化學(xué)品引入商用后的化學(xué)危險性，即，先使用，后評價其危險性；而TSCA的主要任務(wù)之一就是在一個新化學(xué)物質(zhì)投入商用之前表征和充分了解其危險性。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品這樣就可以把危險性降到最小或預(yù)防其危險性發(fā)生。為此，該提案要求環(huán)保署（EnvironmentalProtectionAgency簡稱為EPA）建設(shè)已商用化學(xué)品的目錄，稱為TSCA庫。該提案第五節(jié)要求，任何人如要生產(chǎn)或引進(jìn)一個TSCA庫中沒有的化學(xué)品，就必須向環(huán)保署提交預(yù)生產(chǎn)通告PMN（PremanufactureNotice），因這樣EPA才能估價其可能具有的危險性，以預(yù)防和避免其發(fā)生。按TSCA的規(guī)定，EPA在90天內(nèi)必須對該新物質(zhì)是否對人類健康和環(huán)境有危險作出明確的判斷。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品由于缺乏可用數(shù)據(jù)，而EPA又要在如此短的時間內(nèi)作出判斷，因此，EPA對大多數(shù)物質(zhì)進(jìn)行判斷時均是利用構(gòu)效關(guān)系（Structure-ActivityRelationships，簡記為SARs）進(jìn)行預(yù)測。前已述及，SARs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)差異引起的相對生物活性的差異，把構(gòu)效關(guān)系定量化，可更為精確地預(yù)測毒性。在對水生生物毒性的定量構(gòu)效關(guān)系（QuantitativeStructare-ActivityRelationships，簡記為QSARS）中，常用的物理性質(zhì)有：辛醇—水分配系數(shù)（通常用對數(shù)表達(dá)為logP）、水溶性、解離常數(shù)（pKa）、分子量、胺氮百分?jǐn)?shù)（PercentAmineNitrogen）（不包括苯胺類及在PH=7時無堿性的胺，如酰胺脲素等）。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品在確定QSAR時，最重要的就是找到與生物活性密切相關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)，而這些性質(zhì)又是與其結(jié)構(gòu)緊密相連的。因為logP在很大程度上確定了化學(xué)品在水相和生物相的傳輸和分配，故在用QSAR方程處理水生生物毒性問題時，常用logP來作為度量。而用QSAR方程預(yù)測未知化合物的毒性時，最關(guān)鍵的問題是所選擇的QSAR方程要適用于所關(guān)心的特定物質(zhì)。比如，在預(yù)測化學(xué)品對水生生物毒性時，不能用麻醉型致毒機(jī)理的方程來預(yù)測特征型中毒物質(zhì)的毒性。

2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品二、結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的調(diào)變上面討論了預(yù)測對水生生物的毒性的一般概念和方法，必須強(qiáng)調(diào)指出的是，有許多物理和化學(xué)因素會影響對水生生物的毒性，這些因素包括水溶性、脂溶性、顏色、形成內(nèi)鹽、酸性、堿性、分子大小、最小截面直徑（MinimumCross-SectionalDiameter），物理狀態(tài)等等。對這些因素如何影響對水生生物毒性的知識會幫助我們更有效地設(shè)計對水生生物更加安全的化學(xué)品。比如，設(shè)計一個化學(xué)品，使其在水中的溶解度很?。ǎ?ppb）或增大logP使其＞8都會降低其生物活性，因而減少其對水生生物的毒性。我們可以結(jié)合把這些知識與已發(fā)展起來的QSARS結(jié)合起來預(yù)測未知物的毒性。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品（1）辛醇—水分配系數(shù)（logP或logKow）辛醇—水分配系數(shù)（logP）是用來描述物質(zhì)脂溶性的，也是常用于估價有機(jī)化學(xué)品對水生生物毒性的物理化學(xué)性質(zhì)，logP通常能與生物活性很好地關(guān)聯(lián)起來。TSCA庫中已有許多單個化學(xué)品的logP數(shù)據(jù)。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品一般說來，對于僅表現(xiàn)出麻醉型毒性的非離子有機(jī)化合物，在logP≤5時，其致死性和慢性毒性均會隨脂溶性呈指數(shù)增大（不包括染料、聚合物、表面活性劑）；當(dāng)logP＞5時，毒性隨脂溶性指數(shù)減少，因此對生物活性降低；logP在5-8之間時，長期接觸害這類非離子型有機(jī)化合物呈現(xiàn)慢性毒性，logP≥8時，長期接觸也表現(xiàn)不出毒性，因為此時水溶性很差，化學(xué)品變得沒有生物活性。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品也有一些麻醉型毒物如脂肪醇、氯代苯、丙酮、二硫化物和一些“反應(yīng)性”化學(xué)品如丙烯酸鹽、酯等到logP=6時仍是劇毒的。還有一些“反應(yīng)性”化學(xué)品如脂肪胺，表面活性劑等則到log＞8時仍表現(xiàn)出劇毒。另一方面，LogP很小的化學(xué)品由于沒有足夠的脂溶性，因而不能進(jìn)入水生生物的細(xì)胞膜，故沒有生物活性，毒性很小，比如，分子量＜200，logP≤2的物質(zhì)對水生生物的毒性就很小，其LC50＞100mg/L。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品因此，對于用麻醉致毒的化學(xué)品，當(dāng)LogP＞8或LogP＜2時，其對水生生物的毒性較小。因此，我們在設(shè)計化學(xué)品時，可使其分子量＜200且LogP＜2或者LogP＞8而不管其分子量，就可獲得對水生生物無毒的化學(xué)品。要降低LogP，可在分子中引入極性基團(tuán)如羧基、醇羥基、或其他水溶性基團(tuán)。另一方面，也可通過引入親脂性（疏水性Hydrophobic）基團(tuán)如鹵素、芳環(huán)、烷基等以增大logP。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品（2）水溶性化學(xué)品的水溶性是另一個與其生物活性及對水生生物毒性密切相關(guān)的重要性質(zhì)。當(dāng)LogP增大時，其水溶性降低，LogP減小時則水溶性增大。麻醉型化學(xué)品，當(dāng)其水溶性很差（比如＜1ppb＝或有高的水溶性時，其生物活性都會很低，因而對水生生物也就表現(xiàn)不出明顯的毒性。到底水中溶解度高達(dá)哪一個數(shù)值時才對水生生物表現(xiàn)不出毒性呢？這一問題很難定量給出這個上限，而對水溶性小則存在一下限，一般說來，＜1ppb就對水生生物無毒性。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品因此，在設(shè)計更加安全的化學(xué)品時，我們要么改變分子的結(jié)構(gòu)使其變得不溶于水，要么改變分子結(jié)構(gòu)使其水中的溶解度很大。這里我們要注意的是，一些看起來很小的分子結(jié)構(gòu)的改變，比如分子中甲基的位置改變，就會對水溶性產(chǎn)生很大的影響，由此改變脂溶性及毒性，這一點對于設(shè)計小分子物質(zhì)時如何通過改變分子結(jié)構(gòu)來改變水溶性從而減少其對水生生物的毒性尤為重要。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品比如，特戊醇（TertiaryAmylAlcohol）其在水中的溶解度比其異構(gòu)體正戊醇在水中的溶解度高98g/L，因而毒性要低得多。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品又如，分子量大的氨基丁酸在水中的溶解度就比2-氨基丙酸高44g/L。前者事實上僅比后者多一個甲基。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品這都是結(jié)構(gòu)上微小差異導(dǎo)致相對水溶性差異從而改變毒性的例子，水中溶解度增大后，它們對魚、水蚤、水藻的毒性要降低一半。這里有意思的是，照我們通常的認(rèn)識，甲基是脂溶性的，增加甲基應(yīng)增大其脂溶性，而此處則不然。如前一節(jié)所述，在設(shè)計中應(yīng)考慮使用直鏈，因直鏈化合物更容易生物降解，上面兩例關(guān)于水溶性的特性也與此矛盾。根據(jù)QSAR，利用醇來減少水溶性的原理被用于生產(chǎn)一系列醇代萜烯清潔劑。在萜烯類分子中引進(jìn)一個醇基，可使其對水生生物的毒性降低40倍，同時還有其他優(yōu)點。如表4-2所示。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品（3）分子大小和分子量減少物質(zhì)毒性的另一方法就是設(shè)計出一個新的原物質(zhì)的類似物，且其分子量比“原物質(zhì)”大。如果分子的所有其他性質(zhì)均保持不變而僅是分子量增大，其對水生生物的毒性就會減小。一般說來，分子量增大，毒性就會減少。分子量大到1000后，其對水生生物的毒性就可忽略，因為這么大的分子不能擴(kuò)散通過水生生物的呼吸膜。2023/1/31第三節(jié)設(shè)計對水生生物更安全的化學(xué)品化學(xué)物質(zhì)對水生生物的毒性也會隨其分子體積的增大而減