第三章-安全无毒化学品的设计原理和方法
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第3章 安全无毒化学品的设计原理和方法资料
方法：
▼用其它基团取代醇羟基C原子上的H原子；
▼用体积大的烷基取代不饱和烷基。 炔丙基醇：与烯丙基醇的代谢作用相似。
▲烯烃和炔烃
末端含有不饱和键的烯烃和炔烃，经细胞色素P450催化氧化 生成有毒代谢物，引发肝中毒、变种、癌症等。
O R C CH2 H P450 R R1CH2 R OH R1 C C CH2 H H
接触动力学（ Exposure-kinetics)：有毒化学品在环境中的输运 过程。 毒性动态学（Toxicokinetics）：有毒化学品在细胞膜或器官膜 中的输运过程。
（1）化学品的毒性
A、吸收：化学品从接触处进入血液的过程。 ▲肠胃系统吸收； ▲肺吸收；
▲皮肤吸收。
人体的细胞膜－脂类物质； 人体的血液－水性溶液。 有毒化学品易吸收的条件：良好的水溶性和脂 溶性。
构效关系
物质的化学结构与效能的关系（StructureActivity Relationships, 简称SAR） 效（Activity）：化学物质对生命机体造成 的生物化学影响或称毒性。 物质的构效关系是安全有效的分子设计 的基石。
复合型绿色化学人才的培养模式
化学品的工业 工业合成 化学人才 和商业功效
R－ X X＝Cl, Br, I, F
C=C－C=O C≡C－C=O C=C－C≡N C=C－S－ R1COCH2CH2CO R2
H H C C O
Michael加成 反应
生成Schift碱 加成反应 加成反应
－N＝C＝O －N＝C＝S
B. 设计更安全的亲电性物质1 ▲降低分子的亲电性 例子： 丙烯酸乙酯，,-不饱和羰基，易发生Michael 加成反应 甲基丙烯酸乙酯，位引入甲基，亲电性降低， 不发生Michael加成反应
第三章-设计安全无毒化学品的基本原理和方法
（二）避免物质的直接毒性 1．选择无毒的物质 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
.
11
表3-1设计安全有效化学品一般原则简表
（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； （2）不饱和键；
分散的速度由血流速度和从毛细血 管向器官的扩散速度决定;
通常分散速度很快，许多物质吸收 后分布于心脏、肝、肾、大脑及其他器 官。
.
36
2. 分散
物质分散于哪一个器官取决于它的物 理化学性质。
例如，油溶性不好的物质不容易侵入大脑， 而油溶性好的物质就容易进入大脑。
其他因素：与血浆蛋白的结合程度、在脂 肪组织中的聚集等性质。
代谢过程：Ⅰ相化学反应、Ⅱ相化学反应。
.
39
Ⅰ相化学反应
在Ⅰ相化学反应中，陌生化学物质 通过氧化、还原和水解等过程转化为极 性更大的代谢物，从而更容易溶解于水， 因而更容易排泄。
.
40
Ⅱ相化学反应
在Ⅱ相化学反应中，内源性化合物 如葡萄糖酸盐、硫酸盐、乙酸盐或氨基 酸与有毒陌生化学物质通过结合反应， 生成水溶性更大的物质，从而更有利于 排泄。
.
34
③皮肤吸收
3.液体因通常在皮肤表面上铺展从而有更 大的接触面积，故它比固体更容易被皮 肤吸收，而且油溶性好的物质通常更容 易被皮肤吸收。
4.但油溶性太高而水溶性差的物质也不容 易被吸收，这是因为，这样的分子虽然 很容易穿越角膜，但却不易再穿过余下 的六层细胞膜。
.
35
2. 分散
所谓分散是指人体吸收有毒物质后， 有毒物质在体内的运动情况。
–例2：通过分子设计，降低或妨碍人类、 动物和水生生物对物质的吸收。
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表3-1设计安全有效化学品一般原则简表
（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； （2）不饱和键；
分散的速度由血流速度和从毛细血 管向器官的扩散速度决定;
通常分散速度很快，许多物质吸收 后分布于心脏、肝、肾、大脑及其他器 官。
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36
2. 分散
物质分散于哪一个器官取决于它的物 理化学性质。
例如，油溶性不好的物质不容易侵入大脑， 而油溶性好的物质就容易进入大脑。
其他因素：与血浆蛋白的结合程度、在脂 肪组织中的聚集等性质。
代谢过程：Ⅰ相化学反应、Ⅱ相化学反应。
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39
Ⅰ相化学反应
在Ⅰ相化学反应中，陌生化学物质 通过氧化、还原和水解等过程转化为极 性更大的代谢物，从而更容易溶解于水， 因而更容易排泄。
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40
Ⅱ相化学反应
在Ⅱ相化学反应中，内源性化合物 如葡萄糖酸盐、硫酸盐、乙酸盐或氨基 酸与有毒陌生化学物质通过结合反应， 生成水溶性更大的物质，从而更有利于 排泄。
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34
③皮肤吸收
3.液体因通常在皮肤表面上铺展从而有更 大的接触面积，故它比固体更容易被皮 肤吸收，而且油溶性好的物质通常更容 易被皮肤吸收。
4.但油溶性太高而水溶性差的物质也不容 易被吸收，这是因为，这样的分子虽然 很容易穿越角膜，但却不易再穿过余下 的六层细胞膜。
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35
2. 分散
所谓分散是指人体吸收有毒物质后， 有毒物质在体内的运动情况。
–例2：通过分子设计，降低或妨碍人类、 动物和水生生物对物质的吸收。
安全无毒化学品的设计原理和方法 (2)优秀课件
分子中的部分结构（基团）－毒性载体 －与细胞生物分子活性位的相互作用。
化学品毒性的发生过程
吸收、分散、 与目标组织 接触 代谢、排泄 中的生物分 毒效
子相互作用
接触相 毒性动力学相 毒性动态学相
接触动力学（ Exposure-kinetics)：有毒化学品在环境中的输 运过程。 毒性动态学（Toxicokinetics）：有毒化学品在细胞膜或器官 膜中的输运过程。
3、2个关系：分子结构与功能的关系； 分子的结构与生物效能的关系。
1、外部效应原则－物质分子与人、动物、生物 和植物机体减少接触的可能性。
2、内部效应原则－物质分子对人、动物、生物 和植物机体产生和预防中毒的可能性。
化学品安全无毒的保障： 自身无毒（原始、转化和代谢毒性） 不容易接触和吸收
1、外部效应原则
一、毒理学分析及相关分子设计
借助药学原理，应用于非医用化学品：
① 减少吸收，利用致毒机理消除毒性； ② 利用构效关系消除毒性； ③ 利用后代谢原理消除毒性； ④ 利用等效的无毒物质代替有毒物质。
1、化学品的毒性
三种致毒途径： a) 接触致毒； b) 生物吸收致毒； c) 物质的固有毒性致毒。 产生毒性的根源：
构效关系
物质的化学结构与效能的关系 （Structure-Activity Relationships, 简称 SAR）
效（Activity）：化学物质对生命机体造 成的生物化学影响或称毒性。 物质的构效关系是安全有效的分子设计 的基石。
复合型绿色化学人才的培养模式
化学品的工业 工业合成
和商业功效
异构体。
2)、增大解毒性能
尽可能提高在生物体内的无毒代谢和转化 ➢ 增大排泄的可能性； I. 选择亲水性化合物； II. 增大物质分子与葡萄糖醛酸、硫酸盐、氨基酸
化学品毒性的发生过程
吸收、分散、 与目标组织 接触 代谢、排泄 中的生物分 毒效
子相互作用
接触相 毒性动力学相 毒性动态学相
接触动力学（ Exposure-kinetics)：有毒化学品在环境中的输 运过程。 毒性动态学（Toxicokinetics）：有毒化学品在细胞膜或器官 膜中的输运过程。
3、2个关系：分子结构与功能的关系； 分子的结构与生物效能的关系。
1、外部效应原则－物质分子与人、动物、生物 和植物机体减少接触的可能性。
2、内部效应原则－物质分子对人、动物、生物 和植物机体产生和预防中毒的可能性。
化学品安全无毒的保障： 自身无毒（原始、转化和代谢毒性） 不容易接触和吸收
1、外部效应原则
一、毒理学分析及相关分子设计
借助药学原理，应用于非医用化学品：
① 减少吸收，利用致毒机理消除毒性； ② 利用构效关系消除毒性； ③ 利用后代谢原理消除毒性； ④ 利用等效的无毒物质代替有毒物质。
1、化学品的毒性
三种致毒途径： a) 接触致毒； b) 生物吸收致毒； c) 物质的固有毒性致毒。 产生毒性的根源：
构效关系
物质的化学结构与效能的关系 （Structure-Activity Relationships, 简称 SAR）
效（Activity）：化学物质对生命机体造 成的生物化学影响或称毒性。 物质的构效关系是安全有效的分子设计 的基石。
复合型绿色化学人才的培养模式
化学品的工业 工业合成
和商业功效
异构体。
2)、增大解毒性能
尽可能提高在生物体内的无毒代谢和转化 ➢ 增大排泄的可能性； I. 选择亲水性化合物； II. 增大物质分子与葡萄糖醛酸、硫酸盐、氨基酸
第3章 安全无毒化学品的设计原理和方法
生物活化（Bioactivation），代谢过程中把无毒的物质 转化为有毒的物质。注意!!!
D、毒性动态学
毒性动态学：有毒化学物质分子与生物分子
特定部位的相互作用过程及其引发的生物化 学事件和生物物理事件（细胞的正常生物化 学功能的破坏）。
不可逆中毒：毒物分子与细胞大分子形成共 价键。
可逆中毒：氢键等其它弱化学作用。
（3）2个关系：分子结构与功能的关系；
分子的结构与生物效能的关系。
外部和内部效应原则
（1）外部（External）效应原则－物质分子与人、 动物、生物和植物机体减少接触的可能性。
（2）内部（Internal）效应原则－物质分子对人、 动物、生物和植物机体产生和预防中毒的可能性
。
化学品安全无毒的保障： 自身无毒（原始、转化和代谢毒性） 不容易接触和吸收
（1）外部效应原则-2
• 与机体吸收有关的物理化学性质
尽可能降低机体吸收的可能性
♥挥发性，小； ♥油溶性，大； ♥分子大小，大；
♥降解性质，大；
水解，容易 pH值的影响，大 对消化酶的敏感性，大
（1）外部效应原则-3
• 对人、动物和水生生物吸收途径的考虑
尽可能减少生物体吸收的可能性 ♥皮肤吸收； ♥眼睛吸收； ♥肺吸收；
HH CC
O
－N＝C＝O
－N＝C＝S
加成反应 加成反应
变种，睾丸损伤
癌症，变种，免疫系 统中都
B. 设计更安全的亲电性物质1
▲降低分子的亲电性
例子：
丙烯酸乙酯，,-不饱和羰基，易发生Michael加成
反应
甲基丙烯酸乙酯，位引入甲基，亲电性降低，不发 生Michael加成反应
C H 3 H C 2C H C O O C H C 2 H 3 H C 2 C O O C H C 2 H 3
D、毒性动态学
毒性动态学：有毒化学物质分子与生物分子
特定部位的相互作用过程及其引发的生物化 学事件和生物物理事件（细胞的正常生物化 学功能的破坏）。
不可逆中毒：毒物分子与细胞大分子形成共 价键。
可逆中毒：氢键等其它弱化学作用。
（3）2个关系：分子结构与功能的关系；
分子的结构与生物效能的关系。
外部和内部效应原则
（1）外部（External）效应原则－物质分子与人、 动物、生物和植物机体减少接触的可能性。
（2）内部（Internal）效应原则－物质分子对人、 动物、生物和植物机体产生和预防中毒的可能性
。
化学品安全无毒的保障： 自身无毒（原始、转化和代谢毒性） 不容易接触和吸收
（1）外部效应原则-2
• 与机体吸收有关的物理化学性质
尽可能降低机体吸收的可能性
♥挥发性，小； ♥油溶性，大； ♥分子大小，大；
♥降解性质，大；
水解，容易 pH值的影响，大 对消化酶的敏感性，大
（1）外部效应原则-3
• 对人、动物和水生生物吸收途径的考虑
尽可能减少生物体吸收的可能性 ♥皮肤吸收； ♥眼睛吸收； ♥肺吸收；
HH CC
O
－N＝C＝O
－N＝C＝S
加成反应 加成反应
变种，睾丸损伤
癌症，变种，免疫系 统中都
B. 设计更安全的亲电性物质1
▲降低分子的亲电性
例子：
丙烯酸乙酯，,-不饱和羰基，易发生Michael加成
反应
甲基丙烯酸乙酯，位引入甲基，亲电性降低，不发 生Michael加成反应
C H 3 H C 2C H C O O C H C 2 H 3 H C 2 C O O C H C 2 H 3
安全无毒化学品的设计原理和方法
例子2：乙烯砜，纤维活性染料，以硫酸酯形式出售
R SO2CH2CH2OH H2SO4 R SO2CH2CH2OSO3H 硫酸酯 强碱 R SO2CHCH2 乙 烯砜
C. 生物活化引发亲电性的毒性机理及设计
生物活化代谢反应－细胞色素P450催化的氧化反应 ▲4-烷基酚的生物活化：对甲基化醌的生成
OH O OH
传统的工业化学人才 培养模式
医药和杀虫 药理学、生物 化学、毒理学 剂化学人才
化学品的工业 复合型绿色 药理学、生物 和商业功效 化学人才 化学、毒理学
传统的医药和杀虫剂 化学人才培养模式
二、设计安全有效化学品的方法
1、毒理学分析及相关分子设计 借助药学原理，应用于非医用化学品： • 减少吸收，利用致毒机理消除毒性；
（3）依据毒性机理设计更安全的化学品
A. 含有亲电试剂物质的毒性机理 亲电性物质会与生物大分子的亲核部分（巯基、 硫原子、氨基等）发生共价相互结合而中毒， 导致癌症、肝、血液、肾、生殖和发育系统中 毒等。 哺乳动物的自我防御系统：分泌“自我牺牲” 的亲核试剂，主要是各种转化酶（主要位于肝 等器官）。
2、建立设计安全有效化学品的基石
• 加大宣传力度，使安全有效的化学品的思想深 入人心； • 确立安全有效化学品设计的科学性、技术经济 可行能； • 对风险化学品的仔细研究和分析； • 毒理学研究中强化机理研究和构效关系研究； • 改革化学教育体系和内容，培养复合型绿色化 学人才； • 化学界和工业界的相互结合与参与。
O SO3 II reaction C C CH2 H H
+ CH C CH2 H
1位烯基、芳香取代的醇与硫酸发生II相反应生成非常活泼 的亲电物种，会发生SN1生物亲核反应，毒性很大。
第三章-设计安全无毒化学品的基本原理和方法
有良好的水溶性和脂溶性。
22
表3-3 影响吸收和膜渗透的物理化学及生物化学因素
物理化学因素
分子大小，相对分子质量，水溶性， 油溶性，状态（气、液还是固体）， 分解常数，粒子大小等等。
23
表3-3 影响吸收和膜渗透的物理化学及生物化学因素
生物化学因素
接触途径
表面积/m2 1.8 200 140
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①肠胃系统吸收
C.影响物质在肠胃系统中吸收程度的物 理化学性质有： 物质的状态、固体物质粒子的大小、 物质的水溶性和油溶性、分解常数、 相对分子质量、分子大小等。
具体影响
26
①肠胃系统吸收 胃肠吸收特点？ 1. 物质必须有相当大的水溶性，才能溶解 成为其自由分子的形式。 2. 液态物质、被溶解了的物质比固态物质 更容易被吸收。 3. 盐类物质均有很大的水溶性，因此比中 性物质更容易被吸收。
2.利用构效关系消除毒性；
3.利用后代谢原理消除毒性；
4.用等效的无毒物代替有毒物质和
不使用有毒物质。
17
一、毒理学分析及相关分子设计
1.化学品 的毒性
2.通过分子修饰 减少吸收
3.了解毒性机 理后设计更安 全的化学品
4.利用毒性机理 知识设计更加安 全化学品的例子
18
（一）化学品的毒性
有毒化学品对人的致毒途径：
传统的工业化学 人才培养模式
工业合成 化学人才
药理学、 生物化学、 毒理学（SAR）
医药和杀虫剂 化学人才 杀虫剂化学人才 培养模式
复合型绿色 化学人才
14
传统的医药和
第二节 设计安全有效化学品的方法
15
绿色化学第3章安全无毒化学品的设计
法规和标准不统一
各国对于化学品的安全标准和管理规定存在差异，这给安全无毒化 学加强基础研究
技术创新与突破
未来需要加强在安全无毒化学品设计方面 的理论基础研究，建立更为完善的理论体 系。
通过技术创新，突破当前存在的技术难题 ，实现更为安全、环保的化学品设计和生 产。
提高产品的可回收性
总结词
通过设计可回收的化学品，可以降低对环境的影响，同时节 约资源。
详细描述
可回收的化学品能够在使用后进行有效的回收和处理，降低 对环境的污染。此外，回收再利用还能够节约资源，降低生 产成本，符合可持续发展的要求。
降低能源消耗和减少废弃物产生
总结词
降低能源消耗和减少废弃物产生是化学品设计的重要原则，有助于降低生产成本和减少对环境的负担 。
详细描述
有毒有害物质的使用不仅对人类健康和环境造成威胁，还可能引发一系列的安 全问题。因此，在化学品设计阶段，应充分考虑原料和试剂的安全性，优先选 择无毒或低毒的物质。
优化化学反应过程
总结词
通过优化化学反应过程，可以降低能 耗、减少废弃物产生，同时提高产品 的质量和产量。
详细描述
在化学品合成过程中，应采用高效的 反应条件和优化反应参数，以降低能 耗和减少废弃物的产生。此外，优化 反应过程还可以提高产品的质量和产 量，降低生产成本。
发展趋势
开发新型绿色染料和颜 料、提高染色性能、拓
展应用领域。
05 结论与展望
当前研究的局限性和挑战
数据支持不足
目前对于安全无毒化学品设计的理论基础和实践数据尚不充足， 需要更多的实验和实际应用来验证和补充。
技术难题
在实现化学品无毒化的过程中，存在一些技术难题，如难以完全去 除某些化学品的毒性或难以找到合适的替代品。
各国对于化学品的安全标准和管理规定存在差异，这给安全无毒化 学加强基础研究
技术创新与突破
未来需要加强在安全无毒化学品设计方面 的理论基础研究，建立更为完善的理论体 系。
通过技术创新，突破当前存在的技术难题 ，实现更为安全、环保的化学品设计和生 产。
提高产品的可回收性
总结词
通过设计可回收的化学品，可以降低对环境的影响，同时节 约资源。
详细描述
可回收的化学品能够在使用后进行有效的回收和处理，降低 对环境的污染。此外，回收再利用还能够节约资源，降低生 产成本，符合可持续发展的要求。
降低能源消耗和减少废弃物产生
总结词
降低能源消耗和减少废弃物产生是化学品设计的重要原则，有助于降低生产成本和减少对环境的负担 。
详细描述
有毒有害物质的使用不仅对人类健康和环境造成威胁，还可能引发一系列的安 全问题。因此，在化学品设计阶段，应充分考虑原料和试剂的安全性，优先选 择无毒或低毒的物质。
优化化学反应过程
总结词
通过优化化学反应过程，可以降低能 耗、减少废弃物产生，同时提高产品 的质量和产量。
详细描述
在化学品合成过程中，应采用高效的 反应条件和优化反应参数，以降低能 耗和减少废弃物的产生。此外，优化 反应过程还可以提高产品的质量和产 量，降低生产成本。
发展趋势
开发新型绿色染料和颜 料、提高染色性能、拓
展应用领域。
05 结论与展望
当前研究的局限性和挑战
数据支持不足
目前对于安全无毒化学品设计的理论基础和实践数据尚不充足， 需要更多的实验和实际应用来验证和补充。
技术难题
在实现化学品无毒化的过程中，存在一些技术难题，如难以完全去 除某些化学品的毒性或难以找到合适的替代品。
安全无毒化学品的设计原理和方法概述
（3）依据毒性机理设计更安全的化学品
A. 含有亲电试剂物质的毒性机理 亲电性物质会与生物大分子的亲核部分（巯基、 硫原子、氨基等）发生共价相互结合而中毒， 导致癌症、肝、血液、肾、生殖和发育系统中 毒等。 哺乳动物的自我防御系统：分泌“自我牺牲” 的亲核试剂，主要是各种转化酶（主要位于肝 等器官）。
（2）内部效应原则2
• 避免物质的直接毒性 尽可能降低本征毒性 ♥选择一类无毒的物质 ♥选择功能团 避免使用有毒功能团； 让有毒结构在生物化学过程中消去； 对有毒功能团进行结构屏蔽； 改变有毒基团的位置。
（2）内部效应原则3
• 避免生物活化 尽可能避免生物代谢和转化的增毒效应 ♥不使用已知生物活化途径的分子； 强亲电性或亲核性基团； 不饱和键； 其他分子结构特征。 ♥对可生物活化的结构进行结构屏蔽。
化学品毒性的发生过程
吸收、分散、 与目标组织 接触 代谢、排泄 中的生物分 毒效 子相互作用 接触相 毒性动力学相 毒性动态学相
接触动力学（ Exposure-kinetics)：有毒化学品在环境中的输运 过程。 毒性动态学（Toxicokinetics）：有毒化学品在细胞膜或器官 膜中的输运过程。
一、设计安全无毒化学品的一般原则
1、设计安全无毒化学品的一般原则
2、建立设计安全有效化学品的基石
1、设计安全无毒化学品的一般原则
（1）具有所要求的使用功能，对人类和环境无害。
▲不能进入机体；
▲对机体的生物化学和生理过程不产生有害的影响。 （2）分子释放于环境后的行为或释放后结构的变化。 在空气、水、油中的分散性和在环境中可能引发的直接 和间接的有害效应。
构效关系
物质的化学结构与效能的关系（StructureActivity Relationships, 简称SAR） 效（Activity）：化学物质对生命机体造成的生
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第三章 安全无毒化学品的设计原理
和方法
设计安全无毒化 学品的一般原则
设计安全有效 化学品的方法
本章主要内容： 第一节设计安全无毒化学品的原则
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
第二节、设计安全有效化学品的方法
一、毒理学分析及相关分子设计 二、利用构效关系设计安全的化学品 三、利用基团贡献法构筑构效关系 四、利用等电排置换设计更加安全的化学品 五、用有相同功效而无毒的物质替代有毒有害物 质度上为我们设计分 子结构或减少物质的毒性提供了研究机会。但现实要 使物质的安全性与使用功能和谐地统一在分子内，就 目前来讲确实是是一项很艰巨的任务，而且要完成这 一任务必须要掌握物质分子结构与物质使用功能之间 关系的数据库和物质结构与生物活性之间关系及相关 信息，才能找到安全性与使用功能之间的平衡点。要 达到这一目标，现行的毒理学研究和化学研究必须改 变方式和方法，而且还要加强多学科的合作和交叉。
（2）生物聚集和生物放大 生物聚集：某些化学品在某些生物体内会聚集和积
累，造成累计性中毒。 例如：水生生物和鱼类体内累积铅、铬、镉、汞等 有毒重金属，含量是水体中浓度的100~10000倍。
某些化学物质，如氯代烃杀虽剂或其他氯代烃， 它们可停留在多种生命体中，并能聚集致毒的程度。
生物放大： 生物体内的有毒转化和食物链的延伸使化学品
达到以下目标：
1.增大生物解毒性； 2.避免物质的直接毒性； 3.避免间接生物致毒性或生物活化。
要增大生物降解毒性，首先应把分子设计为本身 是亲水性的，或较容易与葡萄糖醛酸、硫酸盐或 氨基酸结合，以加速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 无毒无害类的化合物，或在分子中引入一些无毒 功能团。
的毒性放大10~10000倍。上述聚集现象会在食物 链中逐步加剧，如鱼、鸟、哺乳动物构成一个食 物链，而人类又以鱼等为食物，所以，毒物可以 在低级动物中聚集，在更高一级动物中被放大
（括大），即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。
• 即有害物质会向食物链的上级不断累计。
（二）、“内部”效应原则—预防毒性 “内部”效应原则通常包括通过分子设计以
例2：通过分子设计，降低或妨碍人类、动 物和水生生物对物质的吸收。
不同的生命机体对物质的吸收途径也不 一定相同。对人而言，吸收物质的途径有 皮肤吸收、眼睛吸收、肺部吸收、肠胃系 统吸收、呼吸系统吸收等。
例如：Na2S和H2S。 Na2S 为固体（无水）。不容易扩散；接触吸收
－皮肤、眼睛、消化。为剧毒化学品，可以运输。 H2S 为气体。非常容易扩散；非接触吸收－皮肤、 眼睛、呼吸和消化系统，为剧毒化学品，严禁运 输。
（二）与机体吸收有关的理化性质
1．挥发性 2．脂溶性 3．分子大小 4. 降解性质 （1）水解 （2）pH值的影响 （3）对消化酶的敏感性
(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
“内部”效应原则——预防毒性 （一）增大解毒性能
1．增大代谢的可能性 （1）选择亲水性化合物 （2）增大物质分子与葡萄糖、硫酸盐、 氨基酸结合的可能性。
2．增大可生物降解性 （1）氧化反应 （2）还原反应 （3）水解反应
（二）避免物质的直接毒性 1．选择无毒的物质 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
（ 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； （2）不饱和键； 2. 对可生物活化的 结构进行结构屏蔽。
第一节 设计安全无毒化学品的原则
一、设计安全无毒化学品的原则
第二章我们曾经提到，要从源头上消除污染，必 须保证需要的物质分子是安全有效的，要达到这一 基本的要求，就需要对使用的分子进行设计，使其 具有所要求的使用功能，并且对人类、对环境无害。 那么，作为物质分子的设计者，化学工作者必须掌握 许多设计安全无毒分子的方法，同时还必须掌握分 子化学结构与其生物效应之间的全部细节，这样， 才能在分子上进行仔细的结构设计以避免有害的生 物效应。
内部效应和外部效应总体原则为：
使物质的安全性和功能性和谐地统一于分 子内；
利用：物质分子结构与生物活性间的关系。
需要：复合型人才。
设计安全无毒化学品对人才培养提出了新的要求：
化学品的工业 和商业功效
传统的工业化学 人才培养模式
另外，化学工作者还必须考虑分子结构与分子 释放于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，如酸雨、臭氧层破坏 和全球变暖等。只有充分掌握子这些关系，才能 采用结构设计方法进行有效设计，在保持分子具 有我们要求的使用功能的前题下，除去对人类、 对环境有害生物效应。
但是我们也要知道，间接生物致毒性或生物活 化致毒性，具体表现是物质在初始结构时并不具 有毒性，但它进入人体后，会转化为有毒的代谢 物
• 表3-1设计安全有效化学品一般原则简表
“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
避免化学品有害的两种方法：
1：使其不能进入机体—“外部”效应；
2：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—“内部”效应。
（一）、外部效应原则—减少接触的可能性 （1）外部吸收
主要是指通过分子设计，改善分子在环境中的分 布、人和其他生物机体对它的吸收等重要物理化学 性质。
例1：通过分子结构设计，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效应物质的 可能性等。
和方法
设计安全无毒化 学品的一般原则
设计安全有效 化学品的方法
本章主要内容： 第一节设计安全无毒化学品的原则
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
第二节、设计安全有效化学品的方法
一、毒理学分析及相关分子设计 二、利用构效关系设计安全的化学品 三、利用基团贡献法构筑构效关系 四、利用等电排置换设计更加安全的化学品 五、用有相同功效而无毒的物质替代有毒有害物 质度上为我们设计分 子结构或减少物质的毒性提供了研究机会。但现实要 使物质的安全性与使用功能和谐地统一在分子内，就 目前来讲确实是是一项很艰巨的任务，而且要完成这 一任务必须要掌握物质分子结构与物质使用功能之间 关系的数据库和物质结构与生物活性之间关系及相关 信息，才能找到安全性与使用功能之间的平衡点。要 达到这一目标，现行的毒理学研究和化学研究必须改 变方式和方法，而且还要加强多学科的合作和交叉。
（2）生物聚集和生物放大 生物聚集：某些化学品在某些生物体内会聚集和积
累，造成累计性中毒。 例如：水生生物和鱼类体内累积铅、铬、镉、汞等 有毒重金属，含量是水体中浓度的100~10000倍。
某些化学物质，如氯代烃杀虽剂或其他氯代烃， 它们可停留在多种生命体中，并能聚集致毒的程度。
生物放大： 生物体内的有毒转化和食物链的延伸使化学品
达到以下目标：
1.增大生物解毒性； 2.避免物质的直接毒性； 3.避免间接生物致毒性或生物活化。
要增大生物降解毒性，首先应把分子设计为本身 是亲水性的，或较容易与葡萄糖醛酸、硫酸盐或 氨基酸结合，以加速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 无毒无害类的化合物，或在分子中引入一些无毒 功能团。
的毒性放大10~10000倍。上述聚集现象会在食物 链中逐步加剧，如鱼、鸟、哺乳动物构成一个食 物链，而人类又以鱼等为食物，所以，毒物可以 在低级动物中聚集，在更高一级动物中被放大
（括大），即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。
• 即有害物质会向食物链的上级不断累计。
（二）、“内部”效应原则—预防毒性 “内部”效应原则通常包括通过分子设计以
例2：通过分子设计，降低或妨碍人类、动 物和水生生物对物质的吸收。
不同的生命机体对物质的吸收途径也不 一定相同。对人而言，吸收物质的途径有 皮肤吸收、眼睛吸收、肺部吸收、肠胃系 统吸收、呼吸系统吸收等。
例如：Na2S和H2S。 Na2S 为固体（无水）。不容易扩散；接触吸收
－皮肤、眼睛、消化。为剧毒化学品，可以运输。 H2S 为气体。非常容易扩散；非接触吸收－皮肤、 眼睛、呼吸和消化系统，为剧毒化学品，严禁运 输。
（二）与机体吸收有关的理化性质
1．挥发性 2．脂溶性 3．分子大小 4. 降解性质 （1）水解 （2）pH值的影响 （3）对消化酶的敏感性
(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
“内部”效应原则——预防毒性 （一）增大解毒性能
1．增大代谢的可能性 （1）选择亲水性化合物 （2）增大物质分子与葡萄糖、硫酸盐、 氨基酸结合的可能性。
2．增大可生物降解性 （1）氧化反应 （2）还原反应 （3）水解反应
（二）避免物质的直接毒性 1．选择无毒的物质 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
（ 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； （2）不饱和键； 2. 对可生物活化的 结构进行结构屏蔽。
第一节 设计安全无毒化学品的原则
一、设计安全无毒化学品的原则
第二章我们曾经提到，要从源头上消除污染，必 须保证需要的物质分子是安全有效的，要达到这一 基本的要求，就需要对使用的分子进行设计，使其 具有所要求的使用功能，并且对人类、对环境无害。 那么，作为物质分子的设计者，化学工作者必须掌握 许多设计安全无毒分子的方法，同时还必须掌握分 子化学结构与其生物效应之间的全部细节，这样， 才能在分子上进行仔细的结构设计以避免有害的生 物效应。
内部效应和外部效应总体原则为：
使物质的安全性和功能性和谐地统一于分 子内；
利用：物质分子结构与生物活性间的关系。
需要：复合型人才。
设计安全无毒化学品对人才培养提出了新的要求：
化学品的工业 和商业功效
传统的工业化学 人才培养模式
另外，化学工作者还必须考虑分子结构与分子 释放于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，如酸雨、臭氧层破坏 和全球变暖等。只有充分掌握子这些关系，才能 采用结构设计方法进行有效设计，在保持分子具 有我们要求的使用功能的前题下，除去对人类、 对环境有害生物效应。
但是我们也要知道，间接生物致毒性或生物活 化致毒性，具体表现是物质在初始结构时并不具 有毒性，但它进入人体后，会转化为有毒的代谢 物
• 表3-1设计安全有效化学品一般原则简表
“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
避免化学品有害的两种方法：
1：使其不能进入机体—“外部”效应；
2：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—“内部”效应。
（一）、外部效应原则—减少接触的可能性 （1）外部吸收
主要是指通过分子设计，改善分子在环境中的分 布、人和其他生物机体对它的吸收等重要物理化学 性质。
例1：通过分子结构设计，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效应物质的 可能性等。