四川大学绿化作业答案

第一章作业 一、简答：温室效应及其与化学的相关性，核冬天，光化学烟雾及其化学本质，生物多样性。一、简答：温室效应及其与化学的相关性，核冬天，光化学烟雾及其化学本质，生物多样性。 答：1、温室效应：气候变暖的原因主要是大气中温室气体浓度升高。大气中 CO2等多种温室气 体对于来自太阳的短波辐射吸收很少，却对地面反射的长波辐射有强烈吸收，被“困住”的这部 分能量使得近地层温度上升，这就是所谓的温室效应。温室气体主要有二氧化碳、氮氧化物、卤 代烃类等。 引起温室气体排放量增大的原因包括自然界的因素和人为的因素。 自然界因素主要就是动植物等 的呼吸、植物腐烂和动植物腐烂分解。但是近几十年来，由于人口急剧增加、工业迅猛发展、呼 吸产生的二氧化碳及煤炭、石油、天然气燃烧产生的二氧化碳，远远超过了过去的水平，人类在 煮饭、照明、取暖、交通以及工业生产中排放了大量的温室气体；而另一方面，由于对森林乱砍 乱伐，大量农田建成城市和工厂，破坏了植被，减少了将二氧化碳转化为有机物的条件，再加上 地表水域逐渐缩小，降水量大大降低，减少了吸收溶解二氧化碳的条件，破坏了二氧化碳生成与 转化的动态平衡， 就使大气中的二氧化碳含量逐年增加。 可见目前人为因素已经成为引起温室气 体含量增大的主导因素。 2、核冬天：有限的核战争所产生的烟尘会导致地球冷却的假设被称为“核冬天” 。 3、光化学烟雾：人类向大气圈排放的碳氢化合物、碳氧化合物、硫氧化合物、氮氧化合物、粉 尘等， 在太阳光的紫外线照射之下会发生一系列的化学反应。 光化学烟雾主要是氮氧化合物与烃 类化合物在紫外线照射下， 经过一系列复杂反应形成的一种大气污染现象。 光化学烟雾中通常含 有高浓度的氧化剂，故又称为氧化性光化学烟雾。氮氧化合物是引发光化学烟雾的主要元凶。化 学本质： 1) NO2NOO O+CXHYCXHYO 2) CXHYO.+O2CXHYO3 3) CXHYO3.+CmHnRCHO+R CO+O2O3 4) ROO+NO2 ROONO2 4、生物多样性：生物多样性是指地球上所有生物（包括植物、动物和微生物）以及其他物质构 成的综合体。它包括遗传的多样性、物种多样性和生态系统多样性三个组成部分。物多样性是人 类社会赖以生存和发展的基础。 PS： a) 臭氧层破坏：一是人类大量使用空调制冷剂、泡沫灭火器、气雾剂、发胶、膨松剂等化学性 质稳定的氟氯烃、溴氟氯烃等化合物，这类化合物虽然在地表面是性质稳定，不易燃烧，易于储 存，对人和其他生物也没有毒性，但当它们上升到平流层中后，在强烈的紫外线作用下，会由光 激发而生成氯原子自由基等化学性质十分活泼的物质， 这些物质会引起臭氧的分解， 从而使臭氧 层遭到破坏；二是汽车尾气、火力发电厂的烟气等中所含有的 NOx 类化合物进入平流层后，会 加速臭氧的分解反应，从而破坏臭氧层。 b) 酸雨：酸雨是空气中的酸性气体（SOx、NOx）随雨而下形成的。 二、二、为什么说化学是一门中心的、实用的、创造性的学科？为什么说化学是一门中心的、实用的、创造性的学科？ 答： 化学涉及其他学科的众多领域， 化学的原理和方法以及化学反应方面的研究目前仍在主导其 他学科。比如：材料科学：金属材料、无机材料、生物医学材料；生命科学：分子生物学（分子 层次时化学） ；能源科学：石化工业、天然气化学工业、煤化学工业、核工业等；航空航天科 学等，这些科学全部与化学密切相关。 化学研究如何开发和有效利用天然资源， 以寻找一些未知的有用化学品， 比如利用天然资源制取 大量化肥、农药、农膜、塑料、钢铁、水泥等产品和原料，并生产大量的合成纤维和橡胶以满足 农业和林业的不足； 化学研究如何在陆地和海洋动植物中提取有用的化学品； 研究物质的结构和 功能之间的关系，并将这些规律性认识反馈于化学合成中以服务于人类的生产和生活。 化学之所以具有创造性， 是因为化学一直在为人类设计开发研究新材料， 比如在医药卫生和高分 子材料方面。在药物方面，以往获取中药的手段是靠上山采药，由于土地和植物资源的限制，中 药的来源越来越有限； 如果我们掌握了中药中有效成分的构效关系， 我们就可以依靠化学手段来 合成有效的药物。另外，随着社会的进步和工业的发展，从天然资源中提取的化学材料已不能满 足人类生产和生活的需要，因此，人们迫切需要开发新的、有特殊用途的材料，这就需要化学来 合成新的高分子材料，这个合成过程就是一项由无到有创造性的工作。 因此，人类的衣食住行以及保持健康无一例外都离不开化学，化学与人类的整个生活息息相关。 三、人类目前面临的主要环境问题有哪些？造成这些困境的原因是什么？三、人类目前面临的主要环境问题有哪些？造成这些困境的原因是什么？ 答：这些典型的环境问题包括：全球气候变暖、核冬天的威胁、臭氧层破坏、光化学烟雾和大气 污染、酸雨、生物多样性锐减、森林的破坏以及土地荒漠化。 编号 人类面临的环境问题 造成这些困境的原因 1 全球气候变暖 是由于大气中的温室气体浓度升高而引起的。 温室气体主要有二 氧化碳、氮氧化物、卤代烃类等。 2 核冬天的威胁 有限的核战争所产生的烟尘会导致地球冷却 3 臭氧层破坏 一是人类大量使用空调制冷剂、泡沫灭火器、气雾剂、发胶、膨 松剂等化学性质稳定的氟氯烃、 溴氟氯烃等化合物， 这类化合物 虽然在地表面是性质稳定，不易燃烧，易于储存，对人和其他生 物也没有毒性， 但当它们上升到平流层中后， 在强烈的紫外线作 用下， 会由光激发而生成氯原子自由基等化学性质十分活泼的物 质，这些物质会引起臭氧的分解，从而使臭氧层遭到破坏；二是 汽车尾气、火力发电厂的烟气等中所含有的 NOX类化合物进入 平流层后，会加速臭氧的分解反应，从而破坏臭氧层。 4 光化学烟雾 光化学烟雾主要是氮氧化合物与烃类化合物在紫外线照射下， 经 过一系列复杂反应形成的一种大气污染现象。 5 酸雨 酸雨是空气中的酸性气体（SOX、NOX）随雨而下形成的。 6 生物多样性锐减 人类活动对生物圈的影响加剧，使得物种灭绝的速度不断加快 7 森林破坏 人类肆意的滥砍滥伐 8 土荒漠化 由于气候变化和人类经济活动在内的各种因素影响所造成的干 旱、半干旱和干燥、亚湿润地区的土地退化 四、在人类面临的健康问题面前，化学有何作为？四、在人类面临的健康问题面前，化学有何作为？ 答：尽管目前医学、医药业已经取得了很大的进步，但人类人面临各种不治之症的威胁。例如癌 症、艾滋病、埃博拉等，目前仍无有效药物可以治疗，迫切需要有新的可治疗这些疾病的药物。 面对衰老，人类仍然是束手无策，迫切需要发明延缓衰老、使人长生的新药。 现在治疗某些疾病的药物，虽然有一定的疗效，大不少药物均有一定的副作用，迫切需要对其加 以改进，或研究开发新的药物，以提高疗效减少副作用。 人体对药物有抗性， 一些在一定使其对某些疾病有疗效的药物， 使用一段时间后就会在人体产生 抗性，不再具有疗效，一次也需要研究新的药物来替代这些因人体抗性而失效的药物。 五、可持续发展观的主要观点是什么，它与传统的发展观有何差异？五、可持续发展观的主要观点是什么，它与传统的发展观有何差异？ 答：可持续发展观强调经济与环境的协调发展，追求人与自然的和谐。其核心思想是：健康的经 济发展应建立在生态持续能力、 社会公正和人民积极参与自身发展决策的基础之上， 它所追求的 目标是：既要是人类的各种需要得到满足，个人得到充分地发展，又要保护生态环境，不对后代 的生存和发展构成威胁。对环境不利的经济活动应予以摒弃。在发展指标上，不单纯用 GNP 作 为衡量发展的唯一指标。 可持续发展的思想包含如下几个层次的含义： 第一、可持续发展的思想强调的是发展，把消除贫困当作是可持续发展的一项不可缺少的条件。 第二、可持续发展思想把环境保护作为发展过程的一个重要组成部分，作为衡量发展质量、发展 水平和发展程度的客观标准之一。 第三、可持续发展思想强调代际之间的机会均等，之处，当代人享有的正当的环境权利，即在发 展中合理利用资源和具有清洁、安全、舒适环境的权利，后代人也应该同样享有。 第四、 可持续发展战略呼吁人们改变触痛的生产方式和消费方式， 要求人们在生产时要尽量少投 入，多产出，在消费时要经量多使用、少排放。 第五、 可持续发展思想要求人们必须彻底改变传统的对待自然界的态度， 建立起新的道德和价值 标准。 六：你怎样看待化学学科在本世纪的地位？六：你怎样看待化学学科在本世纪的地位？ 答：我们可以把 20 世纪称作物理的世纪，而 21 世纪的基本问题是分子和生物分子，因此， 21 世纪将很可能是化学的世纪，但化学工业必须成功地采取新工艺去生产新的化学制品，从而 与由旧的工艺生产又以旧的工艺使用化学品产生的污染， 废弃物以及公害等彻底决裂， 才能实现 化学的新世纪。追求化学的完美，不仅考虑目标分子的性质或某一反应试剂的效率，而且考虑这 些物质对人类对环境的影响，以期减少对人类健康和环境的危害，充分利用资源，求得可持续发 展。 七：你认为我国应怎样面对能源短缺七：你认为我国应怎样面对能源短缺? 答题要点：合理开发利用现有的自然资源，促进企业的节能减排及效率的提升。在全社会倡导节 约，促进人与社会的可持续发展；开发新能源及可再生资源，如风能、太阳能、地热能、水能、 生物质能等。 八、试论科学发展观与化学八、试论科学发展观与化学 九、九、讨论讨论你认为绿色化学能实现从源头上消除污染吗？ 理论（起源、发展、目标、原则、方法） ； 实际（结合我国国情、现状） ； 目前存在的主要 问题 第二章作业题 一、简答：绿色化学的目标、化学工业造成的危害、风险试剂、生物质的种类、可再生资源、一、简答：绿色化学的目标、化学工业造成的危害、风险试剂、生物质的种类、可再生资源、 原子利用率、环境商、环境因子原子利用率、环境商、环境因子 答：1、绿色化学的目标是：化学过程中不产生污染，即将污染消除与其产生之前。实现这一目 标后就不需要治理污染，因其根本就不产生污染，是一种从源头上治理污染的方法，是一种治本 的方法。 2、化学工业造成的危害：由于受传统发展观的影响，化学工业向环境排放了大量的污染物，一 些化学品不佳节制地被滥用， 给整个生态环境造成了非常严重的影响。 当代全球十大环境问题中 至少有 7 项与化学工业和化工产品的化学物质有关，在所有释放有毒有害物质的工业中，与化 学工业相关的产业处于第一位，该行业排放的有的有害物质是处于第二位的冶金工业的 4 倍。 许多物质排放到环境后会在环境中残留和积累，对环境造成破坏，另外，化工生产中的偶然事件 也会对人类和环境造成突发性的影响。 3、风险试剂：对人类健康和环境具有直接或间接危害的试剂。绿色化学中所指的风险实际指的 是氢氰酸。 4、生物质的种类：主要有两类，淀粉和木质纤维素。玉米、小麦、土豆等是淀粉类的代表，农 业废料（如玉米杆、麦苗杆等） ，森林废物和草类等是木质纤维素的典型代表。 5、可再生资源：在人类的寿命尺度内可再生的资源。指那些通过天然作用或人工活动能再生更 新，而为人类反复利用的自然资源叫可再生资源，又称为更新自然资源，如土壤、植物、动物、 微生物和各种自然生物群落、森林、草原、水生生物等。 6、 原子利用率： 原子利用率=目标产物的量按化学计量式所得所有产物的量之和100% =目标 产物的量各反应物的量之和100%，用来衡量化学反应中，到底有多少反应物的原子转变到 了目标产物中。原子利用率微目标产物的量（一般为质量）与按化学计量式多的所有产物的 量的和之比， 用原子利用率可以衡量在一个化学反应中， 生产一定来那个的目标产物到底会生成 多少的废物。 7、环境商：EQ=EQ（E 表示环境因子；Q 表示根据废物在环境中的行为给出的废物对环境的不 友好程度） ，用来描述废物排放量和废物的环境行为本质的综合表现。 8、环境因子：环境因子=废物质量目标产物质量，用来衡量生产过程对环境的影响程度。 在这里，对于每一种化工产品而言，目标产物以外的任何物质都是废物。 二、为什么要大力发展绿色化学？二、为什么要大力发展绿色化学？ 答： 大力发展绿色化学是人类社会可持续发展的必然要求。 人类社会的发展对环境和人类的身 心健康已经造成了巨大的影响， 我们既要为更加美好的生活而发展化学和化学工业， 有不能让化 学品生产过程和化学品破坏我们的生活。 绿色化学既能支撑经济发展又能满足环境的要求， 以保 证可持续发展。 （大力发展绿色化学是人类社会可持续发展的必然要求，一个世纪依赖，为满 足人类社会和工业生产的需要，化学取得了十分辉煌的进步，创造了巨大的功绩，但是由于受陈 旧的思想禁锢， 化学工业给整个自然界带来了巨大的灾难， 使地球的生物多样性和生态环境遭受 巨大破坏，但是，我们都知道，离开了化学工业，人们的物质生活水平将手机大的限制，我们也 不能再像以前一样只是靠转移生产地而解决我们所面临的殊多问题。 我们既要为开创更加美好的 生活而发展化学和化学工业， 又不能让化学品生产过程和化学品破坏我们的环境。 这就要求我们 大力发展既能支撑经济发展， 又能满足环境需要， 以保证可持续发展的新的化学绿色化学。 ） 发展绿色化学是科学技术和经济发展的需要。 绿色化学具有很好的潜力:寻求新的原理和方法， 发展新的技术，以降低化学品的显性成本和隐性成本。另外在一些行业，治理污染比生产成本还 要大，所以必须要大力发展绿色化学。 （发展绿色化学是科学技术和经济发展的需要。目前， 各化学工业公司一方面受到生产化学品成本的压力， 另一方面也受到国家法律法规， 公众的关于 减少环境污染或污染物处理的强大社会压力。它们一方面要想方设法降低成本、提高效率，另一 方面又要因为治理污染物而增大成本，因此，要发展化学工业从而发展经济，就必须寻求新的原 理和方法。发展新的技术，以降低化学品生产的显性和隐性成本。另外，对于一些行业，要治理 其产生的污染物所需的费用可能比它的本身产生的效益还要大， 如果没有新的技术， 这些行业就 只能破产关门，因此，必须大力发展绿色化学。 ） 三、绿色化学及其与环境污染治理的异同三、绿色化学及其与环境污染治理的异同 答：相同点：总的来说绿色化学和环境污染治理的目标是相同的：治理环境问题，共同改善人类 的生存环境。不同点：绿色化学是从源头上消除污染，即将污染消除于其产生之前；环境污染治 理是治理已有的污染，即先污染，再治理。 四、什么是绿色化学品？怎样设计安全的化学品。四、什么是绿色化学品？怎样设计安全的化学品。 答：绿色化学品是指具有最佳的使用功能，且分子的毒性最低的化学品。 设计化学品是指利用分子结构和性能的关系和分子控制方法， 获得最佳的所需功能的分子， 且分 子毒性最低。 设计安全的化学品的方法有： 如果了解某种化学品的毒性机理及某种反应引发的毒性， 就可以改变和修饰该物质的结构， 使 其制毒反应不至于发生，修饰后分子功能不变。如果现有阶段还不了解毒性的具体机理，仍可 以关联分子的化学结构和毒性，此时，要设法除去分子中的毒效基团。减少分子中的生物药效 性也是设计更加有效地化学品的方法之一。 五、举例说明原子经济反应是不产生污染的必要条件五、举例说明原子经济反应是不产生污染的必要条件 答：证明 BA 必要条件！ 要使化学反应尽可能最大限度的利用资源、 减少环境污染， 仅仅采用原子经济反应还不能完全达 到目的。原子经济反应是最大限度利用资源、最大限度减少污染的必要条件，但不是充分条件。 可能有一些化学反应，从计量式看，他是原子经济的，但如果反应平衡转化率很低，而反应物与 产物分离又有困难， 反应物难于循环使用， 那么这些未使用完的反应物就会被当作废物排放到环 境中，造成环境污染及资源的浪费。也有一些反应，反应本身是原子经济的，但两反应物还能同 时发生其他平行反应，生成不需要的副产物，这也会造成资源浪费和环境污染 原子经济性(Atom Economy)是指反应物中的原子有多少进入了产物， 一个理想的原子经济性反应， 就是反应物中的所有原子都进入了目标产物的反应，也就是原子利用率为 100%的反应。如： 反应物中的所有原子都进入了目标产物溴代烷烃中， 反应的原子利用率达到了 100%没有副产物 生成，即节约了资源又消除了副产物污染。 六、试论计算机辅助绿色化学合成路线设计的必要性和方法。六、试论计算机辅助绿色化学合成路线设计的必要性和方法。 答：在设计新的安全有效的合成路线时，既要考虑产品的性能优良，价格低廉，又要使产品的废 物和副产物最少，对环境无害，利用计算机来辅助设计可减轻人脑劳动，只有借助计算机建立某 种智能，让其按我们制定的方法自动的设计合成路线，随时排除不适合的反应路线，找到不浪费 资源，不污染环境的理想合成路线。 方法：(1)建立一个尽可能全的化学反应资源库，对计算机进行训练，指导计算机在哪种物质在 一起在什么条件下会发生什么样的化学反应。(2)提出要求，即确定目标产物和可采用的原料(3) 让计算机找出生产目标产物及所需原料(4)以上原料为目标再做搜索，找出该目标产物合成的反 应方法 (5)比较各反应路线，找到最经济，对环境污染最小的绿色化学反应途径 七、怎样在反应过七、怎样在反应过程中使化学反应绿色化程中使化学反应绿色化 答：使一个反应绿色化，可以采用设计安全有效的目标分子、寻找安全有效的反应原料、寻找安 全有效的合成路线、寻找新的转化方法和寻找安全有效的反应条件等方法来实现。 其中， 在反应过程中使化学反应绿色化的方法只有寻找新的转化方法和寻找安全有效的反应条件 两种途径。 在化学过程中要减少有毒有害物质的使用，可以采用多种方法。如催化等离子体、电化学和光化 学即其他辐射方法。寻找安全有效的反应条件包括寻找安全有效的催化剂（活性组分的负载化、 用固体酸代替液体酸）和寻找安全有效的反应介质（采用超临界流体作为反应介质、水作溶剂的 两相催化法） 。 八、自选一条目前使用的有机化学合成路线，用绿色化学原理对其进行评价并设计一条更佳的八、自选一条目前使用的有机化学合成路线，用绿色化学原理对其进行评价并设计一条更佳的 新路线新路线 九、简述绿色化学九、简述绿色化学 12 原则。原则。 十、试论分析化学在绿色化学发展中的作为十、试论分析化学在绿色化学发展中的作为 答：自从环境运动开始以来，分析化学家们已经在进行测定和检测环境方面的工作。现在分析化 学领域中的一个重点是， 开发在化学过程的进行之中就能够防止或极度降低有害物质产生的方法 和技术。以绿色化学为目的的在线分析化学的发展是基于“如果不能测定就不能控制”这样一个 前提。为了对化学过程施加影响，人们需要有准确和可信赖的传感器、跟踪器和分析技术来测定 反应过程中存在的有害物质。 为了达到绿色化学的目的， 被开发的分析技术既可用于在线分析也可用于即时分析。 利用这些功 能， 可以对一个化学过程中有害副产品的产生和副反应进行跟踪。 当微量的这些有毒物质被检测 到以后， 也许能够通过调节该过程的一些参数以及时减少或消除这些物质的形成。 如果把传感器 和过程控制系统直接连接起来，这种极度降低有害物的过程很可能会实现自动化。 应用在线分析化学的一个例子是，跟踪反应过程以测定反应是否已完成。在许多情况下，化学过 程需要不断地加入试剂知道反应完成为止。 如果有一个即时在线的检测器能让我们测定反应是否 完成，那么就不需要加入更多的过量试剂，从而就能够避免过量使用有可能会造成危害的物质， 因此这些危害物也不会进入到废物流里。 十一、生物柴油的化学核心是什么？十一、生物柴油的化学核心是什么？ 答：生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃 圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。 生物柴油是生物质能 的一种， 它是生物质利用热裂解等技术得到的一种长链脂肪酸的单烷基酯。 生物柴油是含氧量极 高的复杂有机成分的混合物， 这些混合物主要是一些分子量大的有机物， 几乎包括所有种类的含 氧有机物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。 生物柴油的化学核心是酯交换反应。 因为它的化学生产法是采用生物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇， 并使用氢氧化钠或甲醇钠作为触媒， 在酸性或者碱性催化剂和高温下发生酯交换反应， 生成相应 的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。 十二、生物质作为新的化学反应的原料面临哪些挑战？十二、生物质作为新的化学反应的原料面临哪些挑战？ 答：一般生物质都是由有机高分子或超分子组成的，在有效利用他们之前，通常需要首先把他们 降解为小分子，纤维素也可降解为葡萄糖，但纤维素常处于结晶状态且难溶于水，故难于水解。 另外，纤维素中，葡萄糖单体之间是由-1，4-苷键连接在一起的，它比淀粉中的-1，4-苷键 更难降解，故纤维素的降解过程十分复杂，在自然生态系统中，无论是农作物秸秆还是动物胶原 蛋白，其降解都是通过酶催化来进行的，为了不破坏生态又提高降解反应速率，就需要找出每种 木质素或动物胶原蛋白降解反应的高效酶催化剂或仿酶催化剂，实现生物大分子的选择性降解。 鉴于以上情况，生物质作为新的化学反应的原料存在以下几个挑战： （1） 木质素的结构和结构对其降解性的影响； （2） 定向地朝着我们需要的产品进行降解； （3） 富氧的分子的处理； （4） 其中所含的一些杂质对降解参数和产物的分布，用可再生的原料技术上的挑战： 生物质的富集； 不同种类生物质和在不同地方生长的生物质的不同； 连续的操作 对混合物的操作 产品的浓缩和分离 如何有效地利用副产品 第三章作业题 一、一、简答简答 1、人类避免有害化学品毒性的途径 答：a.使有害化学品不进入机体；b.若无法避免其进入机体，则要求其对机体内正常 的生物化学和生理过程不产生有害的影响； 2、生物放大（聚集） ：指某些在自然界不能降解或难降解的化学物质，在环境中通过食物链的延 长和营养级的增加在生物体内逐级富集，浓度越来越大的现象。 3、化学品产生毒性的三要素：接触致毒、生物吸收致毒、物质的固有毒性。 4、毒性载体（Toxicophore） ：物质的固有毒性是指有毒化学物质引起正常细胞性质改变的属性， 通常由分子的部分结构引起，这部分结构通常称为是“毒性载体” 。 产毒结构（Toxicogenic） ：有些物质没有直接的毒性，但由于其分子的特殊结构，它能在代谢 过程中转化为与有毒的物质，这种结构特征称为“产毒结构” 。 5、Langmuir 电子等排同性质原理：具有相同数目的原子，相同数目的电子且电子的排布方式相 同的物质和取代基，有相同电荷，也即电子等排物有相似的物理性质和其他性质。 6、软化学设计：指对于具有生理活性的、治疗上十分有用的，在人身体内完成治疗作用后很快 转化为无毒物质的药物的设计。 二、二、设计安全有效化学品的外部效应原设计安全有效化学品的外部效应原则的主要内容有哪些则的主要内容有哪些? 答：主要是减少接触的可能性。通过分子设计，从而增大降解速度、降低物质的挥发性、减少分 子在环境中的残留时间， 以及减少物质在环境中转化为有毒有害物质的可能性等均是重要的 “外 部”效应原则的例子。 a. 与物质在环境中的分布相关的物理化学性质，如：挥发性、密度、熔点、水溶性、残留性、 生物降解性（氧化反应性质、水解反应性质、光解反应性质、微生物降解性质） 、转化为具有生 物活性物质的可能性、转化为无生物活性物质的可能性； b. 与机体吸收有关的物理化学性质，如：挥发性、油溶性、分子大小、降解性质（水解、pH 的 影响、对消化酶的敏感性） ； c. 对人、动物和水生生物吸收途径的考虑，如：皮肤吸收、眼睛吸收、肺吸收、肠胃吸收、呼 吸吸收或其他特定生物吸收途径； d. 消除或减少不纯物， 如： 是否会产生不同化学类别的不纯物、 是否会产生有毒或更毒的物质、 是否会产生有毒或更毒的几何异构体、构象异构体和立体异构体等等。 三、三、设计安全有效化学品的内部效应原设计安全有效化学品的内部效应原则的主要内容有那些则的主要内容有那些? 答：内部效应原则主要是预防毒性。 a. 增大解毒功能，如：增大排泄的可能性（选择亲水性化合物、增大物质分子与葡萄糖醛酸、 硫酸盐、氨基酸结合的可能性或使分子易于乙酰化） ；增大可生物降解性，如：氧化反应、还原 反应、水解反应。 b. 避免物质的直接接触，如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失、对有毒功能团进行屏蔽、改变有毒基团的位置） ； c. 避免生物活化，如：不使用已知生物活化途径的分子（强的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屏蔽等等。 四、四、肠胃、肺和皮肤吸收的特点有哪些？肠胃、肺和皮肤吸收的特点有哪些？如何通过改变分子性质避免其被吸收？如何通过改变分子性质避免其被吸收？ 答：1、肠胃吸收：影响其吸收的主要因素是指肠胃的表面积以及血液流动速度。肠胃吸收的表 面积是最大的，其血液流动速度是次大的，改变 pH 值也可以改变碱性物质和酸性物质的吸收程 度，酸性物质主要在小肠中吸收，碱性物质主要在大肠中吸收，影响物质吸收的物理化学性质主 要有：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。液态物质、被溶解的物质比固态物质更容易吸收。油溶性越好的物质越容易吸收， 当然还需要有一定得水溶性，全溶于油而不溶于水的物质不易被肠胃系统吸收。 2、肺吸收：肺的功能主要是吸收氧气和排出二氧化碳，从支气管到肺气泡这一段器官连续不断 的重复呼吸产生很大的吸收表面积， 肺还能接受来自心脏的血液， 肺的这些特征是其对氧气和其 他物质的吸收都很快，由于肺气泡细胞膜太薄，物质要仅需血液的路径很短，数秒内物质可由肺 转入血液，因此，水溶性的物质的吸收量很大，颗粒度小于等于 1 微米的固体物质也很容易通过 肺被吸收，2-5 微米的颗粒则会残留在支气管内，可能与粘液一起被清除，大于 5 微米的颗粒则 常常残留在鼻咽中而不被吸收，但这些微粒也可能转移到肠胃系统而在此吸收。 3、皮肤吸收：皮肤是接触和吸收的重要器官，有毒化学物质通过皮肤被吸收，它就必须通过生 皮的 7 层细胞膜才能进行血液和毛细血管， 皮肤吸收的速度控制步骤是物质分子穿越最上层的扩 散过程。 液体因通常在皮肤表面上铺展从而有更大的接触面积， 故它比固体物质更容易被皮肤吸 收， 而且油溶性很好的物质通常更容易被皮肤吸收， 但油溶性太好而水溶性不好的物质也不容易 被吸收，这是因为，这样的分子虽然很容易穿越角膜，但是不易穿过余下的 6 层细胞膜。 改变分子的性质来避免有毒物质的吸收： 减少肠胃吸收：(1)通过分子修饰，增大其颗粒度或使用保持非离子化形式，可降低其入口从 而被肠胃系统吸收的可能性；(2)通过分子修饰，增大其油溶性同时减少其水溶性，也能降低其 入口而被肠胃吸收的可能性；(3)设计修饰该物质分子，使其相对分子质量大于 500，熔点高于 150 度（对非离子物质）或处于固态而不是液态，也是减少其入口而被肠胃吸收的方法；(4)利用 多种取代基联合作用，使分子在 pH 小于等于 2 时强离子化，其极性变得太强，因而不能穿越脂 肪膜，也可大大降低其吸收；(5)含有硫酸根的分子难于穿越生物膜，且具有良好的水溶性，因 此，即使发生部分吸收也易于排泄，这样也就降低了毒性。 减少肺吸收： （1）设计分子使其挥发性降低，即具备更低的蒸气压、更高的沸点，就可减少 与该类物质接触时吸入的可能性； （2）设计分子使其具有很低的水溶性（或更高的油溶性） ，或 具有更高的熔点（150 摄氏度） ，或使其颗粒大于 5 微米，就可以减少肺的吸收。 减少皮肤吸收： （1）液体比固体更易被皮肤吸收，设计分子使其为固体而不是液体可以减少 皮肤吸收的可能性；(2）设计分子使其具有更大的极性或具有离子性（比如一种酸的钠盐、胺的 盐酸盐等） ，或具有更大的水溶性而无油溶性可以减少皮肤的吸收的可能性； (3)增大颗粒度或 相对分子质量及分子大小也可减少皮肤吸收的可能性。 五、五、消除化学品毒性的消除化学品毒性的 Phase-I 反应和反应和 Phase-II 反应的化学本质是什么？反应的化学本质是什么？ 答：在 Phase-I 反应中，陌生化学物质通过氧化、还原和水解等过程转化成极性更大的代谢物， 更容易溶解于水，因而更容易排泄。 在 Phase-II 反应中内源代谢底物如葡萄糖酸盐、硫酸盐、乙酸盐或氨基酸与有毒陌生化学物质结 合，生成水溶性更大的物质，从而更有利于排泄。 六六、典型亲电性物质的结构特征有哪些？其引发的典型亲电性物质的结构特征有哪些？其引发的中毒化学反应主要有哪些？人体内细胞的哪中毒化学反应主要有哪些？人体内细胞的哪 些结构些结构容易与亲电性物质发生中毒化学反应？容易与亲电性物质发生中毒化学反应？ 答： （书上 P44-表-3-3） 人体内容易与亲电性物质发生中毒化学反应细胞结构有： 亲电性物质或代谢后形成的亲电性物质 都会与细胞大分子如 DNA、RNA、酶、蛋白质中半酰胺酸残基中的巯基；蛋白质中蛋氨酸（甲硫 氨酸）中的硫原子；精氨酸和赖氨酸残基中的一级氨基，或蛋白质中的二级氨基，如组氨酸； RNA 和 DNA 中的尿碱中的氨基。这种不可逆的共价相互作用会严重影响细胞大分子的功能，可 引发多种毒性效果， 包括癌症、 肝中毒、 血液中毒、 肾中毒、 生殖系统中毒、 发育系统中毒等等。 七、七、常见电子等排物有哪些？常见电子等排物有哪些？ 答：1 H, F；2 COOH,-SO2NH-；3-OH,=NH2 ；4 CH3,-SH,-Cl；5 CH2-,-NH-,-O-,-S-,-SiH2-； 6 N=,-CH=,-S-；7 环结构中的 CH=CH-,-S-,-O-,-NH-；8COO-,-CONH-,-COCH2- 八、八、举例说明用无毒无害的物质取代有毒有举例说明用无毒无害的物质取代有毒有害物质的重要性和可能性害物质的重要性和可能性 九、九、某化合物的结构如下，指出其某化合物的结构如下，指出其可能引发的中毒反应可能引发的中毒反应 答：异氰酸酯-N=C=O，引发加成反应，导致癌症、变种、免疫系统中毒；-Cl，引发取代反 应，导致癌症；-苯基，引起血液中毒甚至白血病，致癌；-CN， “毒性载体” ，它对甲状腺有 毒，可阻碍甲状腺合成甲状腺荷尔蒙的能力，引发甲状腺功能减退。 第四章作业题 一、一、由碳、硅元素的化学性质，试讨论用硅取由碳、硅元素的化学性质，试讨论用硅取代碳的可行性及硅取代物的优点？代碳的可行性及硅取代物的优点？ 答：硅和碳都是 4A 族元素，在化学性质上有相似性。与同族的其他元素一样，硅和碳都是 4 价元素，能形成四面体结构，能与碳形成稳定化学键。硅取代碳后形成的衍生物是无毒的，尤 其是与同族的锗、锡、铅的衍生物的对比。因此，硅是唯一一个能用作等电排置换的元素。硅 是自然界存量丰富、价格低廉，且可以各种形式出现的元素。硅取代碳后形成的衍生物可以增 大其降解性等对环境友好的性能。 二、二、用辛醇用辛醇-水分配系数表征有毒化学品毒性的水分配系数表征有毒化学品毒性的一般准则是什么？一般准则是什么？ 答：辛醇-水分配系数（logP）是用来描述物质油溶性的，也用来估价有机化学品对水生生物毒 性的物理化学性质， logP 通常能与生物活性很好的联系起来， TSCA 库中有许多单个化学品的 logP 数据。 一般来说，对于仅表现出麻醉型的非离子有机化合物，在 logP 小于等于 5 时，其致死性和慢性 毒性均会随油溶性呈指数增大； 当 logP5 时， 毒性随油溶性呈指数减少， 因此对生物活性降低； logP 在 5-8 之间时，长期接触这类非离子型有机化合物呈现慢性毒性；logP 大于等于 8 时，长期 接触也不表现出毒性，因为此时的水溶性很差，化学品变得没有生物活性。 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“反应性”化学品如丙烯酸盐、 酯等， 在 logP=6 时仍是剧毒的。 还有一些 “反应性” 化学品如脂肪胺、 表面活性剂等， 则到 logP8 时仍表现出剧毒。 另一方面，logP 很小的化学品由于没有足够的油溶性，因而不能进入水生生物的细胞膜，故没有 生物活性，毒性很小，比如，相对分子质量小于 200，logP 小于等于 2 的物质对水生生物的毒性 很小，其 LC50100mg/L. 因此，对于麻醉致毒的化学品，当 logP8 或 logP2 时，对其水生生物的毒性较小。因此，我们 在设计化学品的时候，可使其相对分子质量小于 200 且 logP8 而不管其相对分子 质量，就可获得对水生生物无毒的化学品。要降低 logP，可在分子中引入极性基团如羧基、醇羟 基或其他水溶性基团。另一方面也可通过引入亲脂性基团如卤素、芳环、烷基等以增大 logP。 三、三、除了辛醇除了辛醇-水分配系数，还有那些水分配系数，还有那些性质可以表征有毒化学品毒性？性质可以表征有毒化学品毒性？ 答：水溶性、解离常数（pKa） 、相对分子质量、胺氮百分数等。 四、四、从分子量、分子体积角度看，应从分子量、分子体积角度看，应该怎样设计更加安全的化学品？该怎样设计更加安全的化学品？ 答：减少物质毒性的方法还有就是设计出一个新的原物质的类似物，且其相对分子质量比“原物 质”大。如果分子的所有其他性质均保持不变而仅是相对分子质量增大，其对水生生物的毒性就 会减少。一般来说，相对分子质量增大，毒性就会减少。相对分子质量大到 1000 后，其对水生 生物的毒性就可忽略，因为这么大的分子不能扩散通过水生生物的呼吸膜。 化学物质对水生生物的毒性也随其分子体积的增大而减少， 这也是因为体积大的分子不易穿过水 生生物的呼吸膜。一般来说，相对分子质量大于 1000 的聚合物的体积也较大，另外一些横截直 径大于 1 纳米的分子不易在水生生物呼吸器官中扩散和穿越。 对于一些分子质量小于 1000 的物质， 可以通过对其重新设计， 以增大其最小横截直径(大于 1nm) 以减小毒性。 五、五、可降解的化合物在化学结构和物可降解的化合物在化学结构和物理性质上有何特点？理性质上有何特点？ 答：1）具有水解酶潜在作用位的物质会增大其生物降解能力（比如胺、酯） ；2）在分子中引入 以羟基、醛基、羧基形式存在的氧会增大其生物降解性；3）存在未取代的直链烷烃（尤其是大 于 4 个碳的直链）和苯环时，由于可受氧化酶进攻，因而可增大其生物降解能力；4）水中溶解 度大的物质更容易生物降解 5）相对低取代的化合物。 六、六、常见可降解和不可降解的基团有常见可降解和不可降解的基团有哪些？哪些？ 答：不可降解的基团有：1 卤代物，尤其是氯化物和氟化物 2 支链物质。尤其是季碳和季氮或是 极度分支的物质，如三聚或四聚丙烯 3 硝基，亚硝基，偶氮基，芳胺基 4 多环残基（比如多环芳 香烃或稠环芳烃 PAHS） ，尤其是超过三元的多环稠环或芳烃 4 杂环残基，比如吡啶环 5 脂肪族醚 键 6 高取代的化合物比低取代的化合物更不易降解 可降解的基团有：1 酯、胺 2 羟基、醛基、羧基 3 未取代的直链烷烃和苯环 七、七、根据染料的基团特性，有机染料可分为几根据染料的基团特性，有机染料可分为几类？设计对水生生物更加安全的染料化学品类？设计对水生生物更加安全的染料化学品要遵要遵 循怎样的原则？循怎样的原则？ 答：有机染料可分为五类：中性染料（非离子型染料） ，阴离子染料（带负电染料或酸染料） ，两 性染料（分子中同时含有正电荷基团和负电荷基团） 、阳离子染料（带正电荷）以及金属化酸性 染料。 要设计对水生生物更加安全的染料化学品要遵循以下原则： 负离子数大于正离子数（电荷数） ；磺酸基优于羧酸基；尽可能使相对分子质量大于 1000；尽可 能增大分子的最小横截直径。 第五章作业题 一、一、什么是催化剂什么是催化剂?为什么说催化剂在为什么说催化剂在绿色化学中有十分重要的意义绿色化学中有十分重要的意义? 答： 催化剂不仅能加快热力学上可能进行的反应的速率， 同时催化剂还能有选择性地加快多种热 力学上可能进行的反应中的某一种反应， 选择性地生成某一特定目标产物， 即催化剂可控制反应 产物化学物种的选择性。另外，催化剂还可以在反应中起到控制产物立体规整性的作用。 对于绿色化学而言， 催化可从各个方面满足绿色化学的要求。 不管是酶催化还是传统的化学催化 反应， 通常可令其所需要的能量更低， 转化更为有效， 这样可以降低反应所需能耗， 减少副产物、 共生物和其他废物的生成。目前，催化剂在绿色化学中，对于改善环境、新原料的活化、以及减 少反应过程污染等方面作出了贡献。 二、二、相比于传统的氧化剂，哪些是新型的绿相比于传统的氧化剂，哪些是新型的绿色氧化剂？他们各有什么特点？色氧化剂？他们各有什么特点？ 答：分子氧，H2O2，N2O，O3，晶格氧 三、三、根据绿色化学的观点，如何改变反应溶根据绿色化学的观点，如何改变反应溶剂？各有何特点？剂？各有何特点？ 答： 利用绿色化学研究可实现完成相同反应但利用无害溶剂系统或无溶剂系统。 可以避免传统的 合成化学中因挥发性有机溶剂使用带来的污染。 水溶液系统尽可能使用水作溶剂而不要采用有机溶剂， 可使用水溶的有机金属络合物和表面 活性剂，使水有机相界面上形成胶束，增大底物和催化剂的局部浓度，提高底物转化率和目标 产物选择性； 离子溶液可操作温度范围广，因而可进行各种动力学控制；对大量的无机物、有机物和高分 子化合物都有较大的溶解度，因而所需反应器的体积不大；表现出弱酸或强酸性； 蒸气压很小，几乎观察不到；对水敏感但有的并不怕遇水，甚至能与水共同使用，故易用于工业 应用；热稳定性较好；相对便宜且易于制备； 高分子溶液以挥发性有机溶剂为单体，使其发生聚合形成高分子溶液，可以单独使用，也可 用于高级烃类稀释后使用。 通过过滤等即可分离回收高分子溶剂， 防治了挥发性有机溶剂由于挥 发导致的环境污染； 无溶剂化不使用溶剂， 彻底解决溶剂污染的最佳办法， 可采用微波与催化剂结合共同实现反 应发生； 超临界流体可以通过压力变化，在“像气相”和“像液相”之间调节流体的性质，这样可以 更好的实现化学反应。 四、四、以萘与丙烯发生烷基化反应为例说明催化剂结以萘与丙烯发生烷基化反应为例说明催化剂结构对反应选择性的巨大影响。构对反应选择性的巨大影响。 五、五、简述反应原料的重要性及绿色化学对反应原料简述反应原料的重要性及绿色化学对反应原料的选择原则。的选择原则。 答： 重要性一个化学品合成所采用的反应类型或其合成路线在很大程度上取决于所选用的原 料，原料一经选定，就必须要选择某些反应类型。原料对合成路线的效率、过程的环境效应和人 类健康均有着极大的影响。 选择原则原料本身的生产者、 原料的保存和运输过程中的操作管理者、 原料在使用过程中的 加工者会面临多大的危险，是在选择原料时要加以考虑的。 A:考虑原料本身的危险性 在选择原料时，必须考虑它是否对人对环境是无害的，是否具有比如 毒性、发生意外事故的可能性，是否会破坏生态环境，是否具有其他不友好的性质等。 B:使用可再生资源 考虑到化石资源面临枯竭的危险，故应减少对这类资源的依赖。农业资源和 生物资源是很好的替代品。 六、六、化石资源作为化学化工原料有何优点？化石资源作为化学化工原料有何优点？生物质作为化学化工原料又有何优点？生物质作为化学化工原料又有何优点？ 答