第二章-绿色化学原理课件.ppt

Dr.Paul T.Anastas 和麻省大学的和麻省大学的John C.Warner教教授提出了有关授提出了有关绿色化学的绿色化学的绿色化学的绿色化学的12121212条原则条原则条原则条原则，为绿色化学奠定了，为绿色化学奠定了理论基础理论基础。第二章绿色化学原理绿色化学是一色化学是一门新新兴学科，有没有独立的理学科，有没有独立的理论基基础呢？呢？这十二条原十二条原则目前已被国目前已被国际化学界所公化学界所公认，成成为指指导绿色化学的色化学的原理原理原理原理。实用文档（1 1）防止污染优于污染治理防止污染优于污染治理(Prevention)防止产生废物比在它产生后再处理或清除更好。绿色化学的色化学的1212条原条原则（2 2）提高原子经济性提高原子经济性(Atom Economy)设计合成方法时，应尽可能使生产加工过程的材料都 进入最后的产品中。（3 3）无害化学合成无害化学合成(Less Hazardous Chemical Syntheses)所设计的合成方法应使用和产生对人类健康和环境毒 性小或没有毒性。实用文档绿色化学的色化学的1212条原条原则（4 4）设计安全化学品设计安全化学品(Design Safer Chemicals)化学产品的设计应该有效功能而毒性最小。（5 5）采用安全的溶剂和助剂采用安全的溶剂和助剂(Safer Solvents and Auxiliaries)所使用的辅助物质包括溶剂，分离试剂，和其它 物品使用时都应是无害的。实用文档绿色化学的色化学的1212条原条原则（6 6）合理使用和节省能源合理使用和节省能源(Design for Energy Efficiency)化学过程的能源要求应考虑其环境的和经济影响并应 尽量节省。如果可能，合成应在室温和常压下进行。（7 7）使用可再生资源为原料使用可再生资源为原料(Use Renewable Feedstocks)若技术和经济上可行，原料和加工料都应可再生。实用文档绿色化学的色化学的1212条原条原则（8 8）减少衍生化步骤减少衍生化步骤(Reduce Derivatives)尽量减少和避免利用衍生化反应，此步骤需要添加 额外的试剂并可能产生废物。（9 9）催化反应催化反应(Catalysis)具有高选择性的催化剂比化学计量学的试剂优越的多。（1010）设计可降解产品设计可降解产品(Design for Degradation)化学产品的设计应使它们在功能终了时分解为无害的降 解产物。实用文档绿色化学的色化学的1212条原条原则（11）预防污染的现场实时分析预防污染的现场实时分析(Real-Time Analysis for Pollution Prevention)需要进一步开发新的分析方法时可进行实时的生产过程 监测并在有害物质形成之前给予控制。（12）防止生产事故的安全工艺防止生产事故的安全工艺(Inherently Safer Chemistry for Accident Prevention)减少或消除制备和使用过程中的事故和隐患。实用文档“后后 十十 二二 条条”以上十二条原则习惯上被称作绿色化学的“前十二条前十二条前十二条前十二条”原则。Environ.Sci.&Tech.杂志的编辑W.H.Glage 认为：化学转化的绿色程度，只有在放大（放大（scale-up）、应用（应用（application）与实践实践（practice）中才能评估。这就要求在技术、经济与工业所导致的一些竞争的因素之间做出权衡。为了补充Anastas&Wanner的不足，结合Glage的意见，利物浦大学化学系Leverhulm催化创新中心的Neil Winterton提出另外的绿色化学原则十二条另外的绿色化学原则十二条另外的绿色化学原则十二条另外的绿色化学原则十二条（Twelve more principles of green chemistryTwelve more principles of green chemistryTwelve more principles of green chemistryTwelve more principles of green chemistry），），），），简称后十二条后十二条后十二条后十二条，以帮助化学家们评估每个工艺过程工艺过程工艺过程工艺过程的相对相对相对相对绿色性。实用文档“后十二条后十二条”v1、鉴别与量化副产物（identify and quantify by-products）v2、报道转化率、选择性与生产率（report conversions,selectivities and productivities）.v3、建立整个工艺的物料衡算（establish full mass-balance for process）.v4、测定催化剂、溶剂在空气与废水中的损失（measure catalyst and solvent losses in air and aqueous effluent）.v5、研究基础的热化学（investigate basic themochemistry）.v6、估算传热与传质的极限（anticipate heat and mass transfer limitation）v7、请化学或工艺工程师咨询（consult a chemical or process engineer）v8、考虑全过程中选择化学品与工艺的效益(consider effect of overall process on choice of chemistry)v9、促进开发并应用可持续性量度（help develop and apply sustainability measases）v10、量化和减用辅料与其他投入（quantity and minimize use of utilities and other inputs）v11、了解何种操作是安全的，并与减废要求保持一致（recognize where safety and waste minimization are incompatible）v12、监控、报道并减少实验室废物的排放（monitor,report and minimize laboratory waste emitted）后十二条可用来后十二条可用来后十二条可用来后十二条可用来评评估一个工估一个工估一个工估一个工艺过艺过程程程程的的的的绿绿色性，并与其他的工色性，并与其他的工色性，并与其他的工色性，并与其他的工艺艺相比相比相比相比较较 实用文档绿色化学的框架和主要内容色化学的框架和主要内容能源的能源的能源的能源的绿绿色化色化色化色化原料的原料的原料的原料的绿绿色化色化色化色化（无毒无害，可再生原料）（无毒无害，可再生原料）（无毒无害，可再生原料）（无毒无害，可再生原料）化学反化学反化学反化学反应应的的的的绿绿色化色化色化色化（原子（原子（原子（原子经济经济性，高性，高性，高性，高选择选择性）性）性）性）产产品的品的品的品的绿绿色化色化色化色化（无毒无害化学品）（无毒无害化学品）（无毒无害化学品）（无毒无害化学品）溶溶溶溶剂剂的的的的绿绿色化色化色化色化（无毒无害溶（无毒无害溶（无毒无害溶（无毒无害溶剂剂）催化催化催化催化剂剂的的的的绿绿色化色化色化色化（无毒无害催化（无毒无害催化（无毒无害催化（无毒无害催化剂剂）绿绿色化工生色化工生色化工生色化工生产产实用文档2.12.1防止污染优于污染治防止污染优于污染治理理实用文档2.12.1防止污染优于污染治理防止污染优于污染治理L“先污染，后治理先污染，后治理先污染，后治理先污染，后治理”L“从源头上防止污染从源头上防止污染从源头上防止污染从源头上防止污染”绿绿色化学正是在色化学正是在色化学正是在色化学正是在环环境治理出境治理出境治理出境治理出现现困境的情形下困境的情形下困境的情形下困境的情形下兴兴起的。起的。起的。起的。其最大的意其最大的意义义在于：在于：也是也是绿绿色化学与色化学与环环境境治理的最大区别！治理的最大区别！实用文档2.22.2提高原子经济性提高原子经济性何何谓原子原子经济性？性？实用文档无机反无机反无机反无机反应应方程式方程式方程式方程式有机反有机反有机反有机反应应方程式方程式方程式方程式2.22.2提高原子提高原子经济性性实用文档v通常用通常用“产率产率产率产率”描述一个有机合成反应的有效性和效率。描述一个有机合成反应的有效性和效率。产产率的概念完完全全忽略了在合成反率的概念完完全全忽略了在合成反率的概念完完全全忽略了在合成反率的概念完完全全忽略了在合成反应应中生成的任何不希望得到的中生成的任何不希望得到的中生成的任何不希望得到的中生成的任何不希望得到的产产物，而物，而物，而物，而这这些些些些产产物却是合成物却是合成物却是合成物却是合成产产物中固有的一部分。有可能并且常常会是物中固有的一部分。有可能并且常常会是物中固有的一部分。有可能并且常常会是物中固有的一部分。有可能并且常常会是这样这样一种情况：一个合成步一种情况：一个合成步一种情况：一个合成步一种情况：一个合成步骤骤，或甚至一个合成路，或甚至一个合成路，或甚至一个合成路，或甚至一个合成路线线能能能能够够达到达到达到达到100%100%的产率，但其产生的废物不论在重量上，还的产率，但其产生的废物不论在重量上，还的产率，但其产生的废物不论在重量上，还的产率，但其产生的废物不论在重量上，还是在体积上都远远超过了所希望得到的产品。是在体积上都远远超过了所希望得到的产品。是在体积上都远远超过了所希望得到的产品。是在体积上都远远超过了所希望得到的产品。产品副产物yieldyield实用文档经典的氯乙醇路线制造环氧乙烷：For example反反反反应应分两步分两步分两步分两步进进行行行行用一个式子表示用一个式子表示用一个式子表示用一个式子表示如何解决产率对反应效率评价的缺陷？原子经济性！实用文档v为了克服产率这一评价指标的缺点，1991年，美国斯坦福大学（Stanford）著名有机化学家B.B.B.B.M.TrostM.TrostM.TrostM.Trost首次提出了反应的原子经济性原子经济性原子经济性原子经济性的概念，并因此获得了1998年美国“总统绿色化学挑战总统绿色化学挑战总统绿色化学挑战总统绿色化学挑战奖奖奖奖”中的学术奖学术奖学术奖学术奖。他认为：什么是原子经济性（atomeconomy）？vv高效的有机合成反高效的有机合成反高效的有机合成反高效的有机合成反应应应应最大限度的利用原料分最大限度的利用原料分最大限度的利用原料分最大限度的利用原料分子的每一个原子，使之子的每一个原子，使之子的每一个原子，使之子的每一个原子，使之结结合到目合到目合到目合到目标标分子中，达分子中，达分子中，达分子中，达到零排放。到零排放。到零排放。到零排放。这是原子经济性的概念！这是原子经济性的概念！这是原子经济性的概念！这是原子经济性的概念！实用文档o具体的说，假如C是人们所要合成的化合物，若以A和B为起始原料，既有C生成又有D生成，且许多情况下D是对环境有害的，即使生成的副产物D是无害的，那么D这一部分的原子也是被浪费的，而且形成废物对环境造成了负荷。所谓原子经济性反应原子经济性反应原子经济性反应原子经济性反应，即是使用E和F作为起始原料，整个反应结束后只生成C，E和F中的原子得到了100%的利用，也没有任何副产物生成。产物废物或副产物废物物为零为零原子原子原子原子经济经济性反性反性反性反应应实用文档原子利用率原子利用率原子利用率原子利用率（Atom Utilization,AU）原子经济性的量度对对比比比比产产率的表达式：率的表达式：率的表达式：率的表达式：（AU）它可衡量在一个化学反它可衡量在一个化学反应中，生中，生产一定量目一定量目标产物会生成多少物会生成多少废物。物。原子原子经济性和性和产率是两个不同的概念，率是两个不同的概念，前者是从原子水平上来看化学反应，前者是从原子水平上来看化学反应，后者则从传统宏观量上来看化学反应。后者则从传统宏观量上来看化学反应。实用文档The same example 改进工艺:通过催化氧化法来制备环氧乙烷：具有良好的原子具有良好的原子具有良好的原子具有良好的原子经济经济性，性，性，性，对环对环境无害，也不造成浪境无害，也不造成浪境无害，也不造成浪境无害，也不造成浪费费。原子利用率原子利用率原子利用率原子利用率=(AUAU）ooAU=AU=实用文档在有机合成中最常见的反应主要包括四类：o分子分子结构互构互变或异构化的或异构化的重排反应重排反应重排反应重排反应(rearrangement)。用原子用原子用原子用原子经济经济性性性性评评价常价常价常价常规规反反反反应类应类型型型型o两个或多个分子结合在一起的两个或多个分子结合在一起的加成反应加成反应加成反应加成反应(addition)。o由一个分子中脱除部分基团的由一个分子中脱除部分基团的消除反应消除反应消除反应消除反应(elimination)。o一一个个分分子子中中的的某某一一基基团被被另另一一分分子子或或基基团置置换的的取取取取代代代代反应反应反应反应(substitution)。实用文档重排反应 o重排反应是构成同一分子的原子的重新组合，像这类结构互变或异构化的重排反应以人名来命名的就有30种之多，如Beckmann重排、Claisen重排，Fischer-hepp重排，Fries重排，Wolff重排等等,皆为非常重要的有机合成反应，其通式为：example重排必然是重排必然是100%100%的原子的原子经济性反性反应，所有反，所有反应物的原子都被包容在物的原子都被包容在产物分子当中了。物分子当中了。实用文档 加成反加成反应 o加成反加成反应的通式的通式为 加成反加成反应是把反是把反应物的各个部分完全加物的各个部分完全加进另一种物另一种物质中，充分利用了原中，充分利用了原料中的原子。因此，也是原子经济的。料中的原子。因此，也是原子经济的。example艾氏剂（Aldrin）oo 原子利用率原子利用率原子利用率原子利用率=？实用文档 取代反取代反应 oo取代反取代反取代反取代反应应的通式的通式的通式的通式为为 当当进行行取取代代反反应时，进攻攻基基团取取代代一一个个离离去去基基团，该离离去去基基团必必然然会会成成为该反反应的的一一个个副副产品品，因因为它它没没有有被被结合合到到最最终产物物中中去去，从从而而降降低低了了该转化化过程程的的原原子子经济性性。取取代代反反应的的具具体体的的非非原原子子经济性性程程度度是是由由所所用用的的特特定定试剂和底物而定的。和底物而定的。exampleoo 原子利用率原子利用率原子利用率原子利用率=取取代代反反应包包括括烷基基化化反反应（甲甲基基化化，氯甲甲基基化化，羟甲甲基基化化等等），芳芳基基化化，酰化化（甲甲酰化化，乙乙酰化化，苯苯甲甲酰化化、胺胺类酰化化等等），以以及及磺化等反磺化等反应。实用文档消除或降解反应 oo消除反消除反消除反消除反应应通式通式通式通式:消除反应通过减少原子数目而使反应物转化成最终产物。在这种情况下，所用的任何试剂（如果没有成为产物的一部分）以及被消除掉的原子都成了废物。因此，这类反应是所有的基本合成转化反应中内在的最不原子经济最不原子经济的一类反应。exampleoo 原子利用率原子利用率原子利用率原子利用率=实用文档o绿色化学的核心核心核心核心是实现原子经济反应，但在目前的条件下还不可能将所有的化学反应的原子经济性都提高到100%。因此，不断寻找新的反应途径新的反应途径新的反应途径新的反应途径来提高合成反应的过程的原子利用率，或者对传统的化学反应过程不断提高其选择性提高其选择性，仍然是十分重要的手段。这就要求从包括新合成原料新合成原料新合成原料新合成原料、新催化材料新催化材料新催化材料新催化材料、到新合成加工途径新合成加工途径新合成加工途径新合成加工途径、新反应器设计新反应器设计新反应器设计新反应器设计等化学工程的研究，以及和学科交叉结合，由知识创新到技术创新，来不断实现化学合成过程的绿色化。实用文档布洛芬布洛芬 镇静、静、止痛止痛药的生的生产原子原子经济性性40%Boots公司的公司的BrownBrown方法方法实用文档布洛芬布洛芬 镇静、静、止痛止痛药的生的生产原子原子原子原子经济经济性性性性77.4%77.4%获获1997年美国总统年美国总统“绿色化学挑战奖绿色化学挑战奖”BHC公司新发明公司新发明的绿色方法的绿色方法实用文档2.32.3无害化学合成无害化学合成 绿色合成绿色合成绿色化学思想的色化学思想的实施施实用文档o在有些化学合成的过程中，由于使用了对人类健康和环境有害的原料原料和溶溶剂剂，或排放了大量的污染性废物废物，给人类的健康和环境带来了严重的不利影响。v所以，在进行化学合成方法设计时，要注意将化学合成中使用和产生的将化学合成中使用和产生的物质的毒害降至最低限度，甚至要达到消除毒害物质的毒害降至最低限度，甚至要达到消除毒害，实现绿色合成也就是无害化学合成，从而达到对人类健康和环境安全的目标。环保主义者要限制，甚至要消除化学和化学品！绿色化学家将化学作将化学作将化学作将化学作为为一个一个一个一个解决问题解决问题解决问题解决问题的方法的方法的方法的方法，而不仅仅作为问题看待而不仅仅作为问题看待而不仅仅作为问题看待而不仅仅作为问题看待，通过通过化学与化学技术自身的改进化学与化学技术自身的改进化学与化学技术自身的改进化学与化学技术自身的改进，来实现污染的防止。来实现污染的防止。合成方法的合成方法的合成方法的合成方法的设计设计：不仅决定采用何种原料，还决定该过 程的后续分离、废物处理等程序。实用文档因因因因此此此此，现现在在在在的的的的合合合合成成成成化化化化学学学学家家家家主主主主要要要要考考考考虑虑降降降降低低低低危危危危害害害害的的的的途途途途径径径径，运运运运用用用用所所所所有有有有的的的的知知知知识识对对合合合合成成成成方方方方法法法法进进行行行行改改改改进进，从而使化学反从而使化学反从而使化学反从而使化学反应应的危害降低。的危害降低。的危害降低。的危害降低。降低毒害有两条主要途径降低毒害有两条主要途径降低毒害有两条主要途径降低毒害有两条主要途径降低化学品的危害降低化学品的危害降低化学品的危害降低化学品的危害减少化学品的暴露减少化学品的暴露减少化学品的暴露减少化学品的暴露有有有有许许多多多多种种种种形形形形式式式式，如如如如防防防防护护衣衣衣衣、防防防防护护面面面面具具具具、控控控控制制制制接接接接触触触触等等等等等等等等。但但但但是是是是这这些些些些方方方方式式式式会会会会因因因因减减减减少少少少暴暴暴暴露露露露而而而而大大大大大大大大增增增增加加加加生生生生产产成成成成本本本本，并并并并且且且且还还可可可可能能能能因因因因为为控控控控制制制制暴暴暴暴露露露露失失失失败败而而而而面面面面临临更大的危更大的危更大的危更大的危险险。实用文档环环境因子（境因子（境因子（境因子（E-factorE-factor）合成方法绿色性的量度o荷荷兰有有机机化化学学家家 Roger Roger Roger Roger A A A A SheldonSheldonSheldonSheldon提提出出了了 环环环环 境境境境 因因因因 子子子子（Environment Environment Environment Environment factorfactorfactorfactor）的的概概念念，用用以以衡衡量量生生产产过过程程对对环境的影响程度。环境的影响程度。v相相对于每一种化工于每一种化工产品而言，目品而言，目标产物以外的任何物物以外的任何物质都是都是废物。物。环境因子(E-因子)定义为：E=环境因子越大，造成的境因子越大，造成的资源浪源浪费和和环境境污染也愈染也愈?对于原子利用率于原子利用率为100%的原子经济性反应，其环境因子为的原子经济性反应，其环境因子为?大大0 0实用文档The same example again E=对对于于于于单纯单纯的化学反的化学反的化学反的化学反应应来来来来说说，E-E-因子和原子利用率是相关的因子和原子利用率是相关的因子和原子利用率是相关的因子和原子利用率是相关的E=0实用文档但在但在但在但在实际实际化工生化工生化工生化工生产产中，中，中，中，E-E-E-E-因子不仅与反应相关，因子不仅与反应相关，因子不仅与反应相关，因子不仅与反应相关，也与其他因素和单元操作有关也与其他因素和单元操作有关也与其他因素和单元操作有关也与其他因素和单元操作有关1)1)一般反一般反应都可逆，都可逆，产率率总100%100%，必然要排，必然要排废。2)为充分利用原料，往往使另一试剂过量。为充分利用原料，往往使另一试剂过量。3)分离时往往用酸碱中和，产生无机废料。分离时往往用酸碱中和，产生无机废料。4)反应步骤多时，保护反应步骤多时，保护/去保护时常带来废物。去保护时常带来废物。5)无用或有害的光学异构体也成为废物。无用或有害的光学异构体也成为废物。6)分离工程技术限制，常常不能达到完全分离，部分产分离工程技术限制，常常不能达到完全分离，部分产物也进入环境。物也进入环境。7)分离单元中使用的一些溶剂，不能全部回收。分离单元中使用的一些溶剂，不能全部回收。8)实用文档不同化学工不同化学工业部部门的的E-因子因子 工业部门工业部门工业部门工业部门产品吨位产品吨位产品吨位产品吨位副副副副产产产产物物物物量量量量（kgkg）/产品（产品（产品（产品（kgkg）石油炼制与化工石油炼制与化工1061080.10.1大宗化工产品大宗化工产品10410650制药工业制药工业10110325100制制药、精、精细化工化工更需开更需开发原子原子经济反反应实用文档环环境商（境商（境商（境商（EQEQ）对E-因子的补充o环境因子仅仅体现废废废废物物物物与与与与目目目目标标标标产产产产物物物物的的的的相相相相对对对对比比比比例例例例，废物排放到环境中后，其对环境的影响和污染程度还与相应废废废废物物物物的的的的性性性性质质质质以及废废废废物物物物在在在在环环环环境境境境中中中中的的的的毒毒毒毒性性性性行行行行为为为为有关。要更为精确地评价一种合成方法、一个过程对环境的好坏，必须同时考虑废废物物排排放放量量和废废物物的的环环境境行行为为本本质质的综合表现。o为此，Sheldon又提出了（the environment quotient）（EQ）的概念。环境商表示为：EQ=EQE=E-因子Q=根据废物在环境中的行为所给出的对环境不友好度。人人人人为规为规定的！定的！定的！定的！vv环环境境境境商商商商是是是是以以以以化化化化工工工工产产品品品品生生生生产产过过程程程程中中中中产产生生生生的的的的废废物物物物量量量量的的的的多多多多少少少少，物物物物理理理理性性性性质质，化化化化学学学学性性性性质质及及及及其其其其在在在在环环境境境境中中中中的的的的毒毒毒毒性性性性行行行行为为等等等等综综合合合合评评价价价价指指指指标标，来来来来衡衡衡衡量量量量合合合合成成成成反反反反应对环应对环境造成的影响。境造成的影响。境造成的影响。境造成的影响。实用文档o例如：将无害的氯化钠的Q值定义为1，根据重金属离子的毒性的大小，推算出其Q值为1001000。o尽管有时，对不同地区、不同部门、不同生产领域而言，同一物质的环境商值可能不相同，但EQ值仍然是化学化工工作者衡量和选择环境友好生产过程的重要因素，如再加上溶剂等反应条件、反应物性质、能耗大小等各种因素，则对合理选择化学和化学过程更有意义。o环境商的概念弥补了原子利用率仅仅用副产物的量来衡量不同工艺路线的不足。EQ值的相对大小可以作为化学合成和化工生产中选择合成路线、生产过程和生产工艺的重要因素。环环境商（境商（境商（境商（EQEQ）无害化学合成的评价标准实用文档基于基于E-E-因子和环境商的概念，美国斯坦福大学的因子和环境商的概念，美国斯坦福大学的Wender教授对理想的合成作了完整的定义教授对理想的合成作了完整的定义oo一种理想的（最一种理想的（最终是是实效的）合成是指用效的）合成是指用简单的、安全的、的、安全的、环境友好的、境友好的、资源有效的操源有效的操作，快速、定量的把价廉、易得的起始原料作，快速、定量的把价廉、易得的起始原料转化化为天然或天然或设计的目的目标分子。分子。实用文档2.42.4设计安全化学品设计安全化学品获得的化学产品既要满足需要，又要无毒无害！实用文档什么是安全化学品什么是安全化学品?对人人类和和环境无害的化学境无害的化学产品称品称为安全化学品安全化学品安全化学品的两个特征:1、产品本身不会引起环境污染和健康问题，包括不会对野生生物、有益昆虫或植物造成损害；2、当产品被使用后，应能再循环或易于在环境中降解为无害物质。实用文档早在1980年代，人们就提出了设计安全的化学品的观念。如Ariens曾提出：药物化学家在设计合成药物时，应该联合考虑合成合成合成合成、分子毒分子毒分子毒分子毒理理理理和药理药理药理药理三方面的因素，从而使化学更好的为人类服务。理想的情况：目理想的情况：目标分子具有最佳使用功效，而没有一点毒性分子具有最佳使用功效，而没有一点毒性利利用用构构构构效效效效关关关关系系系系和和分分分分子子子子改改改改造造造造的的手手段段，使使化化学学品品的的毒理效力毒理效力毒理效力毒理效力和其和其功效功效功效功效达到最适当的平衡。达到最适当的平衡。设计安全化学品的概念是什么?为什么不说完全消除化学品的毒性呢，这是因为化学品往往很很难难达达到到完完全全无无毒毒，也很难达到最强的功效。所以，这两两个个目目标标的的权权衡衡是是设设计计安安全全化化学学品品的的关关键键，应该在这些产品的期望的功效得以实现的同时，可以将他们的毒性降低到最低限度。实用文档设计安全有效化学品包括两方面内容1 1、新的安全有效化学品的、新的安全有效化学品的设计 人类社会和科学技术的发展向我们提出需要具有某种功能的新型分子，这就需要我们根据分子结构与功能的关系，进行分子设计，设计出新的安全有效的目标分子。2 2、对已有的有效但不安全的分子进行重新设计、对已有的有效但不安全的分子进行重新设计 保留其已有的功效，消除掉其不安全的性质，得到改进过的安全有效的分子。美国总统绿色化学挑战奖中设有设计安全化学品奖!实用文档设计安全化学品所考安全化学品所考虑的因素的因素 o通通常常，设计化化学学品品时希希望望其其最最好好不不不不能能能能进进进进入入入入生生生生物物物物机机机机体体体体，或或者者即即使使进进入入生生物物体体，也也不不不不会会会会对对对对生生生生物物物物体体体体的的的的生生生生化化化化和和和和生生生生理理理理过过过过程程程程产产产产生生生生不不不不利利利利的的的的影影影影响响响响。然然而而这这种种期期望望往往往往很很难难实实现现。必必须须能能从从从从分分分分子子子子水水水水平平平平避避避避免免免免不不不不利利利利的的的的生生生生物物物物效效效效果果果果，同同时时还还必必须须考考虑虑化化化化学学学学品品品品在在在在环环环环境境境境中中中中可可可可能能能能发发发发生生生生的的的的结结结结构构构构变变变变化化化化，降降降降解解解解，其其其其在在在在空空空空气气气气、水水水水、土壤中的扩散以及潜在的危害土壤中的扩散以及潜在的危害土壤中的扩散以及潜在的危害土壤中的扩散以及潜在的危害。o所所以以，不不仅仅要要考考虑虑化化学学品品对对生生物物的的直直直直接接接接影影影影响响响响，还还要要警警惕惕间接的、长远的影响间接的、长远的影响间接的、长远的影响间接的、长远的影响，如酸雨、臭氧层破坏等。，如酸雨、臭氧层破坏等。o在设计安全的化学品的时候，需要考虑哪些因素呢，主在设计安全的化学品的时候，需要考虑哪些因素呢，主要有要有外部因素外部因素和和内部因素内部因素。实用文档外部因素外部因素 是要减少暴露，和降低进入生物体的机会，也就是说，将是要减少暴露，和降低进入生物体的机会，也就是说，将是要减少暴露，和降低进入生物体的机会，也就是说，将是要减少暴露，和降低进入生物体的机会，也就是说，将化学品和其毒害作用阻止在人体，乃至生物体之外。化学品和其毒害作用阻止在人体，乃至生物体之外。化学品和其毒害作用阻止在人体，乃至生物体之外。化学品和其毒害作用阻止在人体，乃至生物体之外。外部因素包括那些？外部因素包括那些？首先是与化学品在首先是与化学品在环境中的分布境中的分布扩散相关的性散相关的性质（1）挥发度挥发度/密度密度/熔点熔点（2 2）在水中的溶解度）在水中的溶解度（3 3）残留性）残留性/生物降解性能生物降解性能（4 4）转化为生物活性（毒性）物质的可能性）转化为生物活性（毒性）物质的可能性（5 5）转化为生物非活性物质的可能性）转化为生物非活性物质的可能性 实用文档其其次次，是是与与化化学学品品被被生生物物体体吸吸收收相关的性相关的性质（1 1）挥发性）挥发性（2 2）油溶性）油溶性（3 3）分子大小）分子大小（4 4）降解性质）降解性质外部因素包括那些？外部因素包括那些？再再次次，是是化化学学品品被被人人类、动物物或水生生物吸收的途径或水生生物吸收的途径（1）皮肤吸收）皮肤吸收/眼睛吸收眼睛吸收（2 2）肺吸收肺吸收（3 3）消化道吸收消化道吸收（4 4）呼吸系统吸收或其他特呼吸系统吸收或其他特定生物的吸收途径定生物的吸收途径最后，是最后，是杂质的减少的减少/消除消除（1）是否有各种化学杂质产生？）是否有各种化学杂质产生？（2 2）是否有有毒的同系物存在？是否有有毒的同系物存在？（3 3）是否有有毒的几何构象或立体异构体是否有有毒的几何构象或立体异构体的存在？的存在？实用文档外部因素的作用外部因素的作用农药DDTDDT在环境中的迁移和生物放大作用在环境中的迁移和生物放大作用生物聚集和生物放大（化学物生物聚集和生物放大（化学物质随食物随食物链向上一向上一级进展在展在组织中中浓度增大）度增大）实用文档外部因素的作用外部因素的作用o每年夏天，数百万每年夏天，数百万红大大马哈哈鱼都要从太平洋北部地区都要从太平洋北部地区长途跋涉数千公里来到途跋涉数千公里来到它它们原来的出生地阿拉斯加湖原来的出生地阿拉斯加湖产卵。它卵。它们在在产卵完卵完毕后便随即死去，而后就后便随即死去，而后就地分解并沉地分解并沉积在当地湖泊在当地湖泊中的沉积岩上。加拿大渥太华大学的尤里中的沉积岩上。加拿大渥太华大学的尤里-布列等人布列等人研究发现，这些鱼带有大量的聚氯联二苯。在这些鱼类经常出没的湖泊中，研究发现，这些鱼带有大量的聚氯联二苯。在这些鱼类经常出没的湖泊中，聚氯联二苯的浓度要比它们从未到达过的其它湖泊高聚氯联二苯的浓度要比它们从未到达过的其它湖泊高7倍。倍。o那些已经死去的大马哈鱼成了处于食物链最底层的昆虫最理想的食物，而有那些已经死去的大马哈鱼成了处于食物链最底层的昆虫最理想的食物，而有害化学物质便从这些昆虫开始层层攀升入侵食物链上层。生态环境保护专家害化学物质便从这些昆虫开始层层攀升入侵食物链上层。生态环境保护专家们担心，大马哈鱼所携带的有害化学物质聚氯联二苯将可能对该地区的高级们担心，大马哈鱼所携带的有害化学物质聚氯联二苯将可能对该地区的高级飞禽猛兽飞禽猛兽熊、鹰熊、鹰乃至人带来毁灭性的灾难。乃至人带来毁灭性的灾难。o而令问题进一步复杂化的是这些大马哈鱼尸体中所含的有害化合物分解进程而令问题进一步复杂化的是这些大马哈鱼尸体中所含的有害化合物分解进程异常缓慢，所以生态环境保护专家们在这一领域还有很长的路要走。异常缓慢，所以生态环境保护专家们在这一领域还有很长的路要走。受受污染的大染的大马哈哈鱼将将对所有生物构成威所有生物构成威胁实用文档内部因素内部因素 也就是说，防止化学品在生物体内的毒性也就是说，防止化学品在生物体内的毒性也就是说，防止化学品在生物体内的毒性也就是说，防止化学品在生物体内的毒性首先，首先，首先，首先，应应考考考考虑虑解毒的便利解毒的便利解毒的便利解毒的便利(1)(1)容易排泄容易排泄可以通过选择亲水性化合物可以通过选择亲水性化合物如如含含有有硫硫酸酸根根的的分分子子难难于于穿穿越越生生物物膜膜，亲亲水水性性好好，即即使使发生吸收也易于排泄。发生吸收也易于排泄。增增大大物物质质分分子子与与葡葡萄萄糖糖醛醛酸酸、硫硫酸酸盐盐、氨氨基基酸酸结结合合的的可可能性或使分子易于乙酰化能性或使分子易于乙酰化 (2)(2)容易生物降解容易生物降解可以通过氧化，还原，水解等作用使化学品降解。可以通过氧化，还原，水解等作用使化学品降解。实用文档内部因素内部因素避免使用有毒官能团 如过去挡风玻璃胶粘剂全部采用异氰酸脂作交联剂，毒性很大。如过去挡风玻璃胶粘剂全部采用异氰酸脂作交联剂，毒性很大。现在采用乙酰醋酸脂代替异氰酸脂作粘性交联剂，避免了毒性。现在采用乙酰醋酸脂代替异氰酸脂作粘性交联剂，避免了毒性。对有毒官能团进行结构屏蔽 就是为了避免毒害暂时将有毒官能团转化，当需要时再将原来的就是为了避免毒害暂时将有毒官能团转化，当需要时再将原来的官能团释放出来。其缺点是是原子经济性降低。官能团释放出来。其缺点是是原子经济性降低。其次，要避免物其次，要避免物其次，要避免物其次，要避免物质质的直接毒性的直接毒性的直接毒性的直接毒性(1)(1)选择的化学品种类或母体化合物无毒选择的化学品种类或母体化合物无毒(2)(2)在在选选择择官官能能团团的的时时候候，避避免免有有毒毒的的官官能能团团，利利用用结结构构屏屏蔽蔽有有毒集团的作用等。毒集团的作用等。实用文档再次，再次，还要避免因生物活化引起的要避免因生物活化引起的间接中毒接中毒这这里里间间接接中中毒毒（也也称称生生物物活活化化）是是指指物物质质在在初初始始结结构构时时并并不不具具有有毒毒性性，但但它它进进入入人人体体后后，会会转转化化为为有有毒毒的的物物质质如致癌物质。如致癌物质。(1)(1)避避免免具具有有生生物物活活化化途途径径的的化化学学品品，比比如如具具有有高高亲亲电电或或亲亲核基团，带有不饱和键等等的分子。核基团，带有不饱和键等等的分子。(2)(2)对可生物活化的结构进行结构屏蔽。对可生物活化的结构进行结构屏蔽。实用文档设计安全化学品的方法安全化学品的方法 一一、如如果果已已知知某某一一反反应应是是毒毒性性产产生生的的必必要要条条件件，则则可可以以通通过过改改变变结结构构，使使这这反反应应不不发发生生，从从而而避避免免或或降降低低该该化化学学品品的的危危害害性性。注注意意！任任何何结结构构的改变必须确保分子的性质与功效不变。的改变必须确保分子的性质与功效不变。For exampleFor example:有机腈化合物在生物体系中由于能发生如下反应而产生毒性有机腈化合物在生物体系中由于能发生如下反应而产生毒性RCH2CN “RCH2”+“CN”如果在-位上引入取代基，如甲基，则释放氰基的反应就被抑制，该物质就几乎是无毒的。实用文档设计安全化学品的方法安全化学品的方法二二二二、对对于于于于许许多多多多毒毒毒毒性性性性机机机机理理理理不不不不为为人人人人知知知知的的的的化化化化合合合合物物物物，通通通通过过化化化化学学学学结结构构构构中中中中某某某某些些些些官官官官能能能能团团与与与与毒毒毒毒性性性性的的的的关关关关系系系系，设设计计时时可可可可以以以以尽尽尽尽量量量量通通通通过过避避避避免免免免、降低或除去同毒性有关的官能降低或除去同毒性有关的官能降低或除去同毒性有关的官能降低或除去同毒性有关的官能团团来降低毒性。来降低毒性。来降低毒性。来降低毒性。实用文档设计安全化学品的方法安全化学品的方法o三、降低有毒物三、降低有毒物质的生物利用率的生物利用率（bioavailability）的方法。的方法。v该方法的理论基础是，该方法的理论基础是，如果一种物质是有毒的，但当它不能达到如果一种物质是有毒的，但当它不能达到如果一种物质是有毒的，