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我们的生活离不开化学品。如果没有农药，人类将和昆虫抢粮食；如果没有药物，人类的寿命不可能大幅度延长。在人类对生活必需品基本满足的今天，人们对高质量生活的追求更离不开化学品，例如满足人们更高要求的各种保健品、化妆品、家庭装饰材料等等。
然而，我们在享受化学品带来的各种好处的同时，也不得不承受它们带来的危害，这其中不仅是环境污染给人类带来的危害，也有化学品本身对人体健康产生的不利影响。绿色化学要实现在源头上消除污染，化学品本身的安全问题是关键。那么，我们怎样来评价一种化学品是安全的或者是不安全的呢？我们不妨从一种曾经闻名于世的农药的沉浮史中获得一些启示。
从DDT的历史说起
DDT又叫滴滴涕，是一种用途广泛的杀虫剂，自从1939年被瑞士化学家米勒发明后，曾在世界范围内广泛使用。这一获诺贝尔化学奖的农药，曾为农作物的增产做出了巨大贡献。然而，美国科学家蕾切尔•卡逊（Rachel Carson）女士首先注意到，化学杀虫剂的生产和应用殃及很多有益生物，包括人类自己。
卡逊是一位海洋生物学家和科普作家，1958年她接到来自马萨诸塞州的一位朋友的来信，说她家后院饲养的野鸟都死了，1957年飞机在那里喷洒过杀虫剂消灭蚁虫。“是什么东西使得美国无以计数城镇的春天之音沉寂下来了呢？”卡逊女士怀疑，DDT进入食物链，是导致一些食肉和食鱼的鸟接近灭绝的主要原因。她决定收集杀虫剂特别是DDT危害环境和健康的证据。她阅读了几千篇研究报告和文章，寻找有关领域权威的科学家，并与他们保持密切联系。在严谨求实的毒理学、生态学和流行病学调查研究的基础上，卡逊认定杀虫剂、除草剂等化学药品危及动植物生存和人类健康，是制造“寂静的春天”的罪魁祸首。
1962年，卡逊发表了著作《寂静的春天》，第一次提醒世人警惕过度使用农药的恶果。卡逊不仅将化学药物的危害事实公诸于众，还质疑我们这个技术社会对自然的态度，揭示出隐藏在干预和控制自然的行为之下的人类中心主义的狭隘观念，警告人们用科技征服自然很可能会毁掉人类生存所有的必需的资源，给人类带来毁灭性的灾难。
这本书问世后，化工公司、食品公司、农业部、食品与药品管理局等负有责任的政府机构，以及与这些利益集团有利害关系的媒体和科研机构，都对这本书表示强烈抗议，也对卡逊发起了恶毒的攻击谩骂，甚至连以捍卫人民健康为主旨的美国医学学会也站在化学公司一边。杀虫剂生产贸易组织全国农业化学品联合会不惜耗资5万美元来宣传卡逊的“错误”，保护自己的经济利益。虽然困难重重，但《寂静的春天》就像黑暗中的一声呐喊，唤醒了广大民众，也得到了一切有良知的科学家和民众的支持，美国第一个民间环境组织由此应运而生。1963年，美国总统肯尼迪在国会讨论了这本书，总统科学咨询委员会成立专门小组调查书中的结论，最终证实卡逊关于杀虫剂潜在危险的警告是正确的，美国环境保护局也由此而成立。最终，美国在1972年宣布禁用DDT。我国20世纪六七十年代曾大量使用这种农药，在1983年也停止了使用。
由上述例子可见，对化学品安全性的评价可能涉及不同的学科，并且需要时间的检验。安全的化学品应该满足两个条件：其一，产品在使用过程中不会引起环境或健康问题，包括对一切生物都不构成危害；其二，当产品使用后，应能再循环或易于在环境中降解为无害物质。如何设计出更安全的化学品，让化学品既能为人类服务，又避免给人类带来危害，这是绿色化学要解决的问题。
借鉴药物设计的思路
传统的化学品设计，更多关注的是某种功能的需求，例如，很多人喜欢颜色鲜艳的服装，所以化学家们就设法研究相关颜色的染料，以满足人们的需求。那么，什么样的分子结构具有这样的功能呢？化学家们利用芳香胺合成了一类可分解芳香胺染料，这类染料以其颜色鲜亮艳丽、色彩持久、色牢度高等优点，曾受到人们的青睐。然而，这类染料却有致癌作用，用了这类染料的服装在与人体接触的过程中，不可避免地会被皮肤吸收，轻者会出现头痛、恶心、疲倦、失眠、呕吐、咳嗽等不良症状；重者则会导致膀胱癌、输尿管癌、肾癌等恶性疾病。同样道理，DDT是高效的杀虫剂，由于设计者当时更多考虑的是其杀虫效果，以至于20多年后才发现其危害性。而绿色化学要求化学家在设计化学品时，不只是关注其功能，也要关注其可能产生的毒性。我们所需要的是一个不会致癌的红色染料或一种对人类健康和生态环境不产生危害的杀虫剂。
在设计一个化学品时，化学家们如何知道这个化学品是否安全，依据是什么呢？总体来说主要依据两方面，一方面是理论依据，主要是从分子结构来理解化学品的性质；另一方面是实验数据，主要是现有的大量的动物毒性试验数据或信息。现在的化学家能够通过分子结构的有关知识，比较准确地确定化合物的特性，并已发展了一些可行的估计和测试化学品性质的方法；而毒物学家和药学家也已开发其他有效工具，利用化学结构知识来表征分子的毒性，使得人类对化学毒性有了更深的认识，也使安全化学品的设计有据可循。
当我们掌握了化学品毒性的有关信息后，化学家们要做的就是对有毒分子进行调控或修饰，以尽可能地减少吸收，消除毒性。我们知道药物是一种特殊的化学品，直接进入人体，因此如何让一种药物发挥最大疗效，达到最低的副作用或无毒副作用，一直是制药行业的研究方向。而今绿色化学提出的设计安全化学品，实际上是将药物安全问题推广到所有化学品，把化学品毒性研究从制药领域推广到整个化学领域。因此，更安全化学品的设计方法可以借鉴药物设计的一些思路。
比如，由美国罗姆-哈斯（Rohm＆Haas）公司开发的一类新的杀虫剂——二酰基肼，其中有一种杀虫剂ConfirmTM，专门对付鳞翅目害虫，其杀虫机理非常独特，它是通过模仿在昆虫体内发现的叫做20-羟基蜕化素的物质而起作用的。这种蜕化素能诱导昆虫提前蜕皮（蜕皮阶段不能进食）并调控昆虫的生长。鳞翅目害虫食用ConfirmTM后，其蜕皮时间会提前，过程会延长，几小时内它们就会因停食、脱水而死亡。由于20-羟基蜕化素对许多节肢动物不具有生物功能，所以ConfirmTM对于各种各样的哺乳动物、水生动物、益虫（蜜蜂、瓢虫、甲虫等）以及其他食肉节肢动物（如蜘蛛）都非常安全。此外，ConfirmTM不具有挥发性和生物积累性，不易流失或在环境中长期残留，它是迄今发现的最安全、最具选择性、最有效的昆虫控制剂之一，对人和生态系统没有明显的危害，因此，该成果获得1998年美国“总统绿色化学挑战奖”的设计更安全化学品奖。更为重要的是，这种杀虫机理也为未来杀虫剂的设计提供了一条新的思路。
又例如，临床最早使用的局部麻醉药是从南美洲古柯树叶中提取的活性成分可卡因，它是一种生物碱晶体，1884年作为局部麻醉药被正式应用于临床。但是，由于在使用过程中发现其具有成瘾性及其他一些毒副反应性质，如致变态反应性、组织刺激性及水溶液不稳定性等，其应用便受到了限制。因此，人们为了寻找更好的局部麻醉药，开展了对可卡因的结构研究，经过剖析和研究发现，在可卡因的结构中能够起到麻醉作用的关键是苯甲酸酯。认识到可卡因成分中苯甲酸酯的重要性后，便开始了苯甲酸酯类化合物局部麻醉作用的研究。此发现的重要性在于启发人们研究局部麻醉药完全可以抛开可卡因的结构，避开可卡因结构所带来的毒性。1904年人们合成了局部麻醉作用优良的普鲁卡因。
同样，依据构效关系（分子结构和效果的对应关系），人们以普鲁卡因结构中的对氨基苯甲酸酯为基础，合成了许多药效好、毒副作用小的不同种类的麻醉药物。药物化学家利用构效关系来设计新药已经有几十年了，美国国家环保局也利用构效关系来推测新的、未测试的化学品的毒性。这方面的工作在化学界越来越受到重视，从以上例子可以看出构效关系知识对安全化学品设计的重要作用。
寻求有毒化学品的替代品
有些有毒化学品的功能是完全可以由其他无毒的化学品来替代的，因此，在设计安全化学品时，我们也可以完全抛开原有物质，而寻找另一类化学物质来完成它们的功能。按照这一思路，人们曾经成功地用异噻唑酮来代替有机锡作为船体外壳的防垢剂。
行驶在海洋上的船舶，其部分外壳沉没于海水中，时间长了会长出海洋生物如海藻和贝壳之类，从而增大船体运动的阻力，因此常称为“污垢”。虽然这些污垢看起来并无害处，但实际中会使燃料消耗增加30%，增大船的服务和清洁处理费用，降低船速，延长晒干船坞的时间等。
为了防止船体外壳上污垢的生成，人们常在船壳上使用防垢涂料。自20世纪60年代人们发现有机锡的防垢特性以来，有机锡特别是三丁基锡防垢涂料得到越来越广泛的应用。有机锡防垢涂料虽然能有效减少海洋生物对船舶造成的危害，控制船体污垢的增长，但同时也带来广泛的环境问题。这类涂料的使用能够引起雌性海产贝类变性，不仅危害了海洋生物，同时也通过食物链对人体健康产生危害。于是人类开始研究新型涂料，寻找对非结垢水生物种无毒的防垢剂，最终开发出4,5-二氯-2-正辛基-4-异噻唑啉-3-酮，作为新的防船体结垢涂料。
这个被称为“海洋9号”的新型防垢涂料，虽然对某些海洋鱼、虾、贝的急性毒性不低，但慢性毒性低，对繁殖无影响，在海水及底泥中能被微生物降解为毒性很小的化合物。和有机锡涂料相比，它对海洋生态环境的危害要小得多，是一种理想的海船防垢剂，因而荣获首届（1996年）美国“总统绿色化学挑战奖”。
再举一个例子。大家知道，用于空调制冷剂的氯氟烃类，是破坏大气臭氧层的主要因素，禁止使用这类化合物已达成共识。根据《保护臭氧层国际公约》要求，至1998年氯氟烃的生产量要降低50%，最终要完全禁止生产使用氯氟烃类化合物。我国于2007年就淘汰了此类制冷剂。目前国际上使用的替代品有氢氯氟烃类、氢氟烃类、烃类、全氟烃类。
我国现阶段主要是用氢氯氟烃作为替代品。根据研究，人们认为氯氟烃对臭氧的作用主要是其中所含的氯和溴，把氯氟烃中的氯原子用氢原子来替代，由于含有氢原子的氢氯氟烃和氢氟烃在对流层被氧化，很少进入平流层破坏臭氧层，它们对臭氧层的破坏要少得多。但由于这些物质释放到大气中会增加温室效应，所以，它们只是一类过渡替代物，最终也将被淘汰。
（作者单位：安徽师范大学）
然而，我们在享受化学品带来的各种好处的同时，也不得不承受它们带来的危害，这其中不仅是环境污染给人类带来的危害，也有化学品本身对人体健康产生的不利影响。绿色化学要实现在源头上消除污染，化学品本身的安全问题是关键。那么，我们怎样来评价一种化学品是安全的或者是不安全的呢？我们不妨从一种曾经闻名于世的农药的沉浮史中获得一些启示。
从DDT的历史说起
DDT又叫滴滴涕，是一种用途广泛的杀虫剂，自从1939年被瑞士化学家米勒发明后，曾在世界范围内广泛使用。这一获诺贝尔化学奖的农药，曾为农作物的增产做出了巨大贡献。然而，美国科学家蕾切尔•卡逊（Rachel Carson）女士首先注意到，化学杀虫剂的生产和应用殃及很多有益生物，包括人类自己。
卡逊是一位海洋生物学家和科普作家，1958年她接到来自马萨诸塞州的一位朋友的来信，说她家后院饲养的野鸟都死了，1957年飞机在那里喷洒过杀虫剂消灭蚁虫。“是什么东西使得美国无以计数城镇的春天之音沉寂下来了呢？”卡逊女士怀疑，DDT进入食物链，是导致一些食肉和食鱼的鸟接近灭绝的主要原因。她决定收集杀虫剂特别是DDT危害环境和健康的证据。她阅读了几千篇研究报告和文章，寻找有关领域权威的科学家，并与他们保持密切联系。在严谨求实的毒理学、生态学和流行病学调查研究的基础上，卡逊认定杀虫剂、除草剂等化学药品危及动植物生存和人类健康，是制造“寂静的春天”的罪魁祸首。
1962年，卡逊发表了著作《寂静的春天》，第一次提醒世人警惕过度使用农药的恶果。卡逊不仅将化学药物的危害事实公诸于众，还质疑我们这个技术社会对自然的态度，揭示出隐藏在干预和控制自然的行为之下的人类中心主义的狭隘观念，警告人们用科技征服自然很可能会毁掉人类生存所有的必需的资源，给人类带来毁灭性的灾难。
这本书问世后，化工公司、食品公司、农业部、食品与药品管理局等负有责任的政府机构，以及与这些利益集团有利害关系的媒体和科研机构，都对这本书表示强烈抗议，也对卡逊发起了恶毒的攻击谩骂，甚至连以捍卫人民健康为主旨的美国医学学会也站在化学公司一边。杀虫剂生产贸易组织全国农业化学品联合会不惜耗资5万美元来宣传卡逊的“错误”，保护自己的经济利益。虽然困难重重，但《寂静的春天》就像黑暗中的一声呐喊，唤醒了广大民众，也得到了一切有良知的科学家和民众的支持，美国第一个民间环境组织由此应运而生。1963年，美国总统肯尼迪在国会讨论了这本书，总统科学咨询委员会成立专门小组调查书中的结论，最终证实卡逊关于杀虫剂潜在危险的警告是正确的，美国环境保护局也由此而成立。最终，美国在1972年宣布禁用DDT。我国20世纪六七十年代曾大量使用这种农药，在1983年也停止了使用。
由上述例子可见，对化学品安全性的评价可能涉及不同的学科，并且需要时间的检验。安全的化学品应该满足两个条件：其一，产品在使用过程中不会引起环境或健康问题，包括对一切生物都不构成危害；其二，当产品使用后，应能再循环或易于在环境中降解为无害物质。如何设计出更安全的化学品，让化学品既能为人类服务，又避免给人类带来危害，这是绿色化学要解决的问题。
借鉴药物设计的思路
传统的化学品设计，更多关注的是某种功能的需求，例如，很多人喜欢颜色鲜艳的服装，所以化学家们就设法研究相关颜色的染料，以满足人们的需求。那么，什么样的分子结构具有这样的功能呢？化学家们利用芳香胺合成了一类可分解芳香胺染料，这类染料以其颜色鲜亮艳丽、色彩持久、色牢度高等优点，曾受到人们的青睐。然而，这类染料却有致癌作用，用了这类染料的服装在与人体接触的过程中，不可避免地会被皮肤吸收，轻者会出现头痛、恶心、疲倦、失眠、呕吐、咳嗽等不良症状；重者则会导致膀胱癌、输尿管癌、肾癌等恶性疾病。同样道理，DDT是高效的杀虫剂，由于设计者当时更多考虑的是其杀虫效果，以至于20多年后才发现其危害性。而绿色化学要求化学家在设计化学品时，不只是关注其功能，也要关注其可能产生的毒性。我们所需要的是一个不会致癌的红色染料或一种对人类健康和生态环境不产生危害的杀虫剂。
在设计一个化学品时，化学家们如何知道这个化学品是否安全，依据是什么呢？总体来说主要依据两方面，一方面是理论依据，主要是从分子结构来理解化学品的性质；另一方面是实验数据，主要是现有的大量的动物毒性试验数据或信息。现在的化学家能够通过分子结构的有关知识，比较准确地确定化合物的特性，并已发展了一些可行的估计和测试化学品性质的方法；而毒物学家和药学家也已开发其他有效工具，利用化学结构知识来表征分子的毒性，使得人类对化学毒性有了更深的认识，也使安全化学品的设计有据可循。
当我们掌握了化学品毒性的有关信息后，化学家们要做的就是对有毒分子进行调控或修饰，以尽可能地减少吸收，消除毒性。我们知道药物是一种特殊的化学品，直接进入人体，因此如何让一种药物发挥最大疗效，达到最低的副作用或无毒副作用，一直是制药行业的研究方向。而今绿色化学提出的设计安全化学品，实际上是将药物安全问题推广到所有化学品，把化学品毒性研究从制药领域推广到整个化学领域。因此，更安全化学品的设计方法可以借鉴药物设计的一些思路。
比如，由美国罗姆-哈斯（Rohm＆Haas）公司开发的一类新的杀虫剂——二酰基肼，其中有一种杀虫剂ConfirmTM，专门对付鳞翅目害虫，其杀虫机理非常独特，它是通过模仿在昆虫体内发现的叫做20-羟基蜕化素的物质而起作用的。这种蜕化素能诱导昆虫提前蜕皮（蜕皮阶段不能进食）并调控昆虫的生长。鳞翅目害虫食用ConfirmTM后，其蜕皮时间会提前，过程会延长，几小时内它们就会因停食、脱水而死亡。由于20-羟基蜕化素对许多节肢动物不具有生物功能，所以ConfirmTM对于各种各样的哺乳动物、水生动物、益虫（蜜蜂、瓢虫、甲虫等）以及其他食肉节肢动物（如蜘蛛）都非常安全。此外，ConfirmTM不具有挥发性和生物积累性，不易流失或在环境中长期残留，它是迄今发现的最安全、最具选择性、最有效的昆虫控制剂之一，对人和生态系统没有明显的危害，因此，该成果获得1998年美国“总统绿色化学挑战奖”的设计更安全化学品奖。更为重要的是，这种杀虫机理也为未来杀虫剂的设计提供了一条新的思路。
又例如，临床最早使用的局部麻醉药是从南美洲古柯树叶中提取的活性成分可卡因，它是一种生物碱晶体，1884年作为局部麻醉药被正式应用于临床。但是，由于在使用过程中发现其具有成瘾性及其他一些毒副反应性质，如致变态反应性、组织刺激性及水溶液不稳定性等，其应用便受到了限制。因此，人们为了寻找更好的局部麻醉药，开展了对可卡因的结构研究，经过剖析和研究发现，在可卡因的结构中能够起到麻醉作用的关键是苯甲酸酯。认识到可卡因成分中苯甲酸酯的重要性后，便开始了苯甲酸酯类化合物局部麻醉作用的研究。此发现的重要性在于启发人们研究局部麻醉药完全可以抛开可卡因的结构，避开可卡因结构所带来的毒性。1904年人们合成了局部麻醉作用优良的普鲁卡因。
同样，依据构效关系（分子结构和效果的对应关系），人们以普鲁卡因结构中的对氨基苯甲酸酯为基础，合成了许多药效好、毒副作用小的不同种类的麻醉药物。药物化学家利用构效关系来设计新药已经有几十年了，美国国家环保局也利用构效关系来推测新的、未测试的化学品的毒性。这方面的工作在化学界越来越受到重视，从以上例子可以看出构效关系知识对安全化学品设计的重要作用。
寻求有毒化学品的替代品
有些有毒化学品的功能是完全可以由其他无毒的化学品来替代的，因此，在设计安全化学品时，我们也可以完全抛开原有物质，而寻找另一类化学物质来完成它们的功能。按照这一思路，人们曾经成功地用异噻唑酮来代替有机锡作为船体外壳的防垢剂。
行驶在海洋上的船舶，其部分外壳沉没于海水中，时间长了会长出海洋生物如海藻和贝壳之类，从而增大船体运动的阻力，因此常称为“污垢”。虽然这些污垢看起来并无害处，但实际中会使燃料消耗增加30%，增大船的服务和清洁处理费用，降低船速，延长晒干船坞的时间等。
为了防止船体外壳上污垢的生成，人们常在船壳上使用防垢涂料。自20世纪60年代人们发现有机锡的防垢特性以来，有机锡特别是三丁基锡防垢涂料得到越来越广泛的应用。有机锡防垢涂料虽然能有效减少海洋生物对船舶造成的危害，控制船体污垢的增长，但同时也带来广泛的环境问题。这类涂料的使用能够引起雌性海产贝类变性，不仅危害了海洋生物，同时也通过食物链对人体健康产生危害。于是人类开始研究新型涂料，寻找对非结垢水生物种无毒的防垢剂，最终开发出4,5-二氯-2-正辛基-4-异噻唑啉-3-酮，作为新的防船体结垢涂料。
这个被称为“海洋9号”的新型防垢涂料，虽然对某些海洋鱼、虾、贝的急性毒性不低，但慢性毒性低，对繁殖无影响，在海水及底泥中能被微生物降解为毒性很小的化合物。和有机锡涂料相比，它对海洋生态环境的危害要小得多，是一种理想的海船防垢剂，因而荣获首届（1996年）美国“总统绿色化学挑战奖”。
再举一个例子。大家知道，用于空调制冷剂的氯氟烃类，是破坏大气臭氧层的主要因素，禁止使用这类化合物已达成共识。根据《保护臭氧层国际公约》要求，至1998年氯氟烃的生产量要降低50%，最终要完全禁止生产使用氯氟烃类化合物。我国于2007年就淘汰了此类制冷剂。目前国际上使用的替代品有氢氯氟烃类、氢氟烃类、烃类、全氟烃类。
我国现阶段主要是用氢氯氟烃作为替代品。根据研究，人们认为氯氟烃对臭氧的作用主要是其中所含的氯和溴，把氯氟烃中的氯原子用氢原子来替代，由于含有氢原子的氢氯氟烃和氢氟烃在对流层被氧化，很少进入平流层破坏臭氧层，它们对臭氧层的破坏要少得多。但由于这些物质释放到大气中会增加温室效应，所以，它们只是一类过渡替代物，最终也将被淘汰。
（作者单位：安徽师范大学）