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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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。
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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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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
安全无毒化学品的设计原理和方法概述课件
结合基因组学、蛋白质组学等技术， 从生物信息角度研究化学品的安全性 ，揭示化学品的生物效应。
未来发展方向与挑战
智能化设计
进一步开发智能化设计平台，实现化学品结构的自动优化和安全 性预测，提高设计效率。
精准医疗与健康保障
加强化学品对健康影响的研究，为医疗诊断和治疗提供新的解决方 案。
环境友好与可持续发展
基于环境科学方法的案例
总结词
通过环境科学方法，评估化学品对生态环境 的影响，为设计安全无毒的化学品提供环境 友好的方案。
详细描述
在环境科学方法中，利用生态学、环境化学 等手段，研究化学品的生态毒性、环境降解 行为等环境行为。通过评估化学品对生态环 境的影响，为设计出具有优良环境性能和低 毒性的化学品提供方案。同时，环境科学方 法还可以为化学品的安全使用和排放提供指
物理化学原理
总结词
理化性质的优化
VS
详细描述
物理化学原理在化学品设计中起到关键作 用。通过了解化合物的物理化学性质，如 溶解度、挥发性、稳定性等，可以预测其 在不同环境中的行为和可能产生的环境影 响。这些性质可以通过实验测定并进行计 算，为化学品的安全性评估提供依据。
环境科学原理
总结词
环境友好性评估
安全无毒化学品的设计原理 和方法概述课件
目 录
• 安全无毒化学品设计概述 • 安全无毒化学品设计原理 • 安全无毒化学品设计方法 • 安全无毒化学品设计案例分析 • 安全无毒化学品设计的未来发展与展望
01
安全无毒化学品设计 概述
定义与目标
定义
安全无毒化学品设计是指通过科学的 方法和原理，在化合物的合成、配方 、生产和使用过程中，使产品对环境 和人类健康无毒或低毒的工程技术。
安全无毒化学品设计原理和方法
减少废物产生：在设计过程中，尽量减少废物产生，以降低对环境的影响。
风险评估与控制
风险评估：对化学品的毒性、危害性进行评估，确定风险等级
风险控制：根据风险评估结果，采取相应的控制措施，降低风险
替代品选择：选择低毒、环保的替代品，减少对环境和人体的危害
工艺优化：优化生产工艺，降低化学品的产生和排放，减少对环境的影响
安全防护措施：采取安全防护措施，防止化学品泄漏、火灾等事故的发生
培训与教育：加强员工培训和教育，提高员工的安全意识和技能，减少事故的发生
3
2
1
4
5
6
替代有害物质
寻找替代品：寻找无毒、环保的替代品，如使用植物提取物代替化学合成物质。
优化生产工艺：改进生产工艺，降低有害物质的产生和排放。
回收利用：对有害物质进行回收利用，减少排放。
案例二：某实验室研发出一种新型无毒清洁剂，用于家庭清洁，减少对皮肤的刺激，保护家人健康。
案例四：某研究机构研发出一种无毒防腐剂，用于食品包装，延长食品保质期学品的设计和生产，降低生产过程中的风险
食品工业：安全无毒化学品的使用，保障食品安全和健康
环境保护：安全无毒化学品的使用，减少对环境的污染和破坏
减少废物产生
采用环保包装材料，减少包装废物产生
优化生产过程，提高原料利用率
采用绿色化学工艺，减少废物产生
设计过程中，尽量减少使用有毒有害的原材料
C
B
A
D
案例分析
01
02
03
04
案例一：某公司研发出一种无毒环保涂料，用于建筑和家具行业，减少VOC排放，保护环境。
案例三：某企业研发出一种无毒农药，用于农业生产，减少农药残留，保障食品安全。
安全无毒化学品的设计原理和方法3ppt文档
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。
（1）外部效应原则1
• 与物质在环境中的分布相关的物理化学性质 尽可能减少在环境中的扩散和分布 ♥挥发性，小/密度，大/熔点，高； ♥水溶性，小/脂溶性，大； ♥残留性，小/生物降解性，大； 氧化/水解/光解/微生物降解 ♥有毒转化－转化为具有生物活性（毒性）物 质的可能性，尽量避免。 ♥无毒转化－转化为无生物活性物质的可能性， 越大越好。
生物放大（Bio-magnification) 生物体内的有毒转化和食物链的延伸使化学品 的毒性放大，10~10000倍。
（1）外部效应原则4
• 消除或减少不纯物 尽可能减少杂质造成的毒性 ♥不同化学类别的不纯物； ♥有毒或更毒的同系物； ♥有毒或更毒的几何异构体、构象异构体和立 体异构体。
（2）内部效应原则1
（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。
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。
构效关系
物质的化学结构与效能的关系（ips, 简称SAR）
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）外部效应原则1
• 与物质在环境中的分布相关的物理化学性质 尽可能减少在环境中的扩散和分布 ♥挥发性，小/密度，大/熔点，高； ♥水溶性，小/脂溶性，大； ♥残留性，小/生物降解性，大； 氧化/水解/光解/微生物降解 ♥有毒转化－转化为具有生物活性（毒性）物 质的可能性，尽量避免。 ♥无毒转化－转化为无生物活性物质的可能性， 越大越好。
生物放大（Bio-magnification) 生物体内的有毒转化和食物链的延伸使化学品 的毒性放大，10~10000倍。
（1）外部效应原则4
• 消除或减少不纯物 尽可能减少杂质造成的毒性 ♥不同化学类别的不纯物； ♥有毒或更毒的同系物； ♥有毒或更毒的几何异构体、构象异构体和立 体异构体。
（2）内部效应原则1
（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。
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。
构效关系
物质的化学结构与效能的关系（ips, 简称SAR）
第3章 更加安全无毒化学品的设计应用
例2：杀虫剂 氨基甲酸酯
O O NHCH3
Si取代物
Si
O
O NHCH3
▲Si取代物与其对应碳化合物的灭蝇效果完全相同，但生 物可降解性显著增降，环境危害性显著减小。
2、硅化合物和碳化合物的差异
• 稳定性等的差异 ♥硅形成的双键或三元环化合物在空气及潮湿的气氛中 极不稳定； ♥硅与氮、氧等杂原子形成的单键是强化学键，但能水 解； ♥Si-H键的极化程度大于C-H键，与C-H键相反，增加 与Si相连的H原子的数目将使其更容易被氧化，如： CH4在空气中十分稳定，SiH4在空气中能自燃。 ♥聚硅烯能在空气中稳定存在。
CH3 CH3(CH2)n N CH3 (CH2)nCH3 n=9~17
4、设计可生物降解化学品的例子
例2：二烷基季铵化合物（Dialkyl Quaternaries） ♥咪唑季铵盐(Imidazolium Quaternary Ammonium Salts)
H3C + N CH3(CH2)n N H N O (CH2)nCH3 n=14~16
4、设计可生物降解化学品的例子
例1：直链烷基苯磺酸盐 ▲四丙基苯磺酸盐（TPBS）的环境问题：难生物降解，降 解率只有50%，河水中含量高达2mg/L，水体泡沫化的主 要原因，造成水体缺氧，水生生物死亡，影响污水处理 效果，增加致病细菌。 ▲直链烷基苯磺酸盐（LBS）：完全能生物降解。一般由直 LBS 链α烯烃（或高级醇）与苯烷基化生产，直链α可以由石 蜡裂解或乙烯齐聚得到。
O
+ N
(CH2)nCH3
n=10~16
4、设计可生物降解化学品的例子
例3：烷基酚乙氧基化合物（Alkylphenol Ethoxylates, APEs) APEs是2类主要的非离子型表面活性剂之一，广泛应用 于织物加工、聚合发泡、印刷、金属清洁、石油钻井和 造纸等。主要产品是壬基酚乙氧基化合物（Nonyphenol Ethoxylates，NPEs）。 APEs与另一类非离子表面活性剂－直链醇乙氧基化合 APEs 物－不同，APEs大部分带有支链烷基，典型结构：
O O NHCH3
Si取代物
Si
O
O NHCH3
▲Si取代物与其对应碳化合物的灭蝇效果完全相同，但生 物可降解性显著增降，环境危害性显著减小。
2、硅化合物和碳化合物的差异
• 稳定性等的差异 ♥硅形成的双键或三元环化合物在空气及潮湿的气氛中 极不稳定； ♥硅与氮、氧等杂原子形成的单键是强化学键，但能水 解； ♥Si-H键的极化程度大于C-H键，与C-H键相反，增加 与Si相连的H原子的数目将使其更容易被氧化，如： CH4在空气中十分稳定，SiH4在空气中能自燃。 ♥聚硅烯能在空气中稳定存在。
CH3 CH3(CH2)n N CH3 (CH2)nCH3 n=9~17
4、设计可生物降解化学品的例子
例2：二烷基季铵化合物（Dialkyl Quaternaries） ♥咪唑季铵盐(Imidazolium Quaternary Ammonium Salts)
H3C + N CH3(CH2)n N H N O (CH2)nCH3 n=14~16
4、设计可生物降解化学品的例子
例1：直链烷基苯磺酸盐 ▲四丙基苯磺酸盐（TPBS）的环境问题：难生物降解，降 解率只有50%，河水中含量高达2mg/L，水体泡沫化的主 要原因，造成水体缺氧，水生生物死亡，影响污水处理 效果，增加致病细菌。 ▲直链烷基苯磺酸盐（LBS）：完全能生物降解。一般由直 LBS 链α烯烃（或高级醇）与苯烷基化生产，直链α可以由石 蜡裂解或乙烯齐聚得到。
O
+ N
(CH2)nCH3
n=10~16
4、设计可生物降解化学品的例子
例3：烷基酚乙氧基化合物（Alkylphenol Ethoxylates, APEs) APEs是2类主要的非离子型表面活性剂之一，广泛应用 于织物加工、聚合发泡、印刷、金属清洁、石油钻井和 造纸等。主要产品是壬基酚乙氧基化合物（Nonyphenol Ethoxylates，NPEs）。 APEs与另一类非离子表面活性剂－直链醇乙氧基化合 APEs 物－不同，APEs大部分带有支链烷基，典型结构：
安全无毒化学品的设计原理和方法概述
安全无毒化学品的设计原理和方法概述首先，安全无毒化学品的设计原理包括以下几个方面：一是选择合适的原料和合成方法，避免使用有害的化学品或者有毒的中间体，保证产品的无毒无害；二是优化合成路线和工艺参数，尽量减少副产物的生成和处理，降低对环境的影响；三是设计安全储存和包装方案，减少对员工和消费者的风险。
其次，安全无毒化学品的设计方法主要包括以下几个方面：一是采用绿色合成方法，如催化剂的设计和利用、溶剂的选择和回收等；二是开发绿色生产技术，包括废水处理、废气处理、固体废弃物处理等；三是建立有效的监测和管理体系，如产品质量监控、生产现场安全监控、产品使用后的环境监控等。
总的来说，安全无毒化学品的设计原理和方法是一个系统工程，需要化学品生产企业、政府部门和科研单位的共同努力。
通过技术创新、管理创新和政策支持，可以逐步实现化学品的安全生产和使用，为人类的健康和环境的可持续发展作出贡献。
设计安全无毒化学品的理念是协调经济发展和环境保护之间的平衡，并且确保化学品的生产、使用和处置过程不会对人类健康和环境造成危害。
为了实现这一目标，需要从多个方面来进行设计和实施。
首先，安全无毒化学品的设计应该从源头上减少化学品对环境和人体的影响。
这意味着需要选择环境友好的原料和合成方法，避免使用对人体健康和环境有害的化学品或者有毒的中间体。
同时，可以采用绿色合成方法，例如催化剂的设计和利用、溶剂的选择和回收等。
通过科学的设计合成路线和工艺参数，可以最大程度地减少有害的副产物的生成，降低对环境的影响。
其次，安全无毒化学品的设计应该充分考虑生产过程中的安全性和健康风险。
避免不合理的操作条件和操作不当导致的意外事故和职业性疾病。
尤其是在设计生产工艺和设备时，应该充分考虑到操作人员的安全和健康，采取有效的控制措施来减少事故和职业病的发生。
另外，化学品的储存、包装和运输也是关键环节。
设计安全无毒化学品还需要考虑到合适的储存条件和包装方案，以确保产品在储存和运输过程中不会泄漏或者发生意外。
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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。