針對 14 種鹵素取代酯類（其中 11 種為鍵結一個鹵素的酯類，3 種 為鍵結兩個以上鹵素之酯類）利用連續式培養，植種於 BOD 瓶進行 48 小 時之藻類批次詴毒性詴驗，反應終點分別為：溶氧變化量(△D0)、最終細 胞變化量(Final Yield)及生長率(Growth Rate)；實驗結果計算 EC50值並繪製 劑量-反應曲線並與其中不同結構及不同取代基所造成毒性作進一步討 論。
根據前述雙分子親核取代反應之化學原理，檢視化學物的毒性與結構 之相關驅勢，可觀察出以下：
1.比較 Ethyl fluoroacetate(1)、 Ethyl chloroacetate(2)、 Ethyl bromoacetate(3) 和 Ethyl iodoacetate(4)之毒性，參考文獻[1]，纖毛蟲之毒性隨著鹵素電負 度的減少而增加，電負度：F > Cl > Br > I，毒性：Ethyl iodoacetate(4) ＞ Ethyl bromoacetate(3)＞Ethyl chloroacetate(2)＞Ethyl fluoroacetate(1)。但在 月芽藻的部分，排除掉 Ethyl fluoroacetate(1)，其餘皆符合電負度反比於 毒性之關係，即毒性： Ethyl iodoacetate(4)＞Ethyl bromoacetate(3)＞Ethyl chloroacetate(2)，電負度：Cl > Br > I 。在藻類毒性中，Ethyl fluoroacetate(1) 的毒性相當高，但其與榖胱甘肽（GSH）（RC50,50% Reactivity
Concentration）幾乎不反應（於 50000ppm 下無抑制），推測其高毒性應不 來至於其親電性，此化學物應屬於不同毒理機制 ，將於 5.6 節進行更詳 細的說明。
2. 當相同鹵素鍵結之碳上接上其他碳氫鍊，則因空間位阻使得毒性有以下 之關係：
Ethyl bromoacetate(3) Ethyl-2-bromopropionate(8) Ethyl-2-di-bromoisobutyrate(10) 由此推斷，隨著鹵素被碳氫鍊包圍的程度越大，空間位阻越大，毒性越小。
＞ ＞
表 5.1.1 鹵素取代酯類之相關毒性數據
NO Chemical 化學式 Log Kow 文獻
RC50(mM)
文獻
IGC50(mM) RC50(mM) △DO (mM) FY (mM) GR(mM)
1 Ethyl fluoroacetate O=C(OCC)CF 0.80 NR a >2.5 a NR 2.28E-04 5.10E-05 7.61E-04
2 Ethyl chloroacetate O=C(OCC)CCl 0.94 3.060a 0.088 a 1.891 5.15E-04 6.25E-04 5.86E-04
3 Ethyl bromoacetate O=C(OCC)CBr 1.21 0.086 a 0.002 a 0.062 3.00E-05 2.10E-05 4.30E-05
4 Ethyl iodoacetate O=C(OCC)CI 1.62 0.029 a 0.001 a 0.059 1.50E-05 1.30E-05 2.10E-05
5 Methyl bromoacetate O=C(OC)CBr 0.72 0.067 a 0.011 a 0.066 4.60E-05 3.80E-05 5.70E-05 6 Methyl 3-bromopropionate O=C(OC)CCBr 1.21 8.626 a 0.094 a 6.786 7.36E-01 4.11E-01 7.40E-01 7 Methyl 2-bromopropionate O=C(OC)C(Br)C 1.13 1.500 a 0.066 a 1.290 1.81E-03 2.26E-03 7.90E-03 8 Ethyl-2-bromopropionate O=C(OCC)C(Br)C 1.63 1.700 c 0.088 c 1.693 1.08E-03 5.70E-04 1.39E-03 9 Methyl 2-bromobutyrate O=C(OC)C(Br)CC 1.63 3.535 a 0.095 a 4.778 1.13E-02 9.32E-03 1.27E-02 10 Ethyl-2-di-bromoisobutyrate O=C(OCC)C(Br)(C)C 2.08 ND 0.708 b 128.1 7.38E-02 1.06E-01 1.83E-01 11 Tert-Butyl bromoacetate O=C(OC(C)(C)C)CBr 2.08 0.085 a 0.004 a 0.109 1.05E-04 8.50E-05 1.45E-04
12 Ethyl dibromoacetate O=C(OCC)C(Br)Br 1.48 ND ND 0.943 4.23E-04 4.55E-04 6.89E-04
13 Ethyl tribromoacetate BrC(Br)(Br)C(=O)OCC 2.49 ND ND 0.032 6.40E-04 7.45E-04 1.98E-03
14 Ethyl-2,3-di-bromopropionate O=C(OCC)C(Br)CBr 1.97 ND 0.006 b 0.053 6.27E-04 3.74E-04 7.74E-04
a： Data from TW.Schltz et al., 2007[1]. ; b： Data from DeWeese AD et al[2]., 2001.c： Data from David W. Roberts et al., 2010[41]
上表單位皆以莫爾濃度(mM)表示； NR 表不反應； ND：no data；溶氧變化量(△DO)、最終細胞變化量( FY )及生長率( GR )
但如果所鍵結的碳氫鍊不以包圍之形式鍵結於鹵素鍵結之碳上，則空 間位阻對於毒性的影響則較有限：
Methyl bromoacetate(5) Methyl 2-bromopropionate(7) Methyl 2-bromobutyrate(9)
以上可以得知連接一個甲基或連接一個乙基對於空間位阻的影響相似，
兩者間的毒性數據相近。
3.當碳氫鍊鍵結位置位於鹵素鍵結之碳的另一邊，空間位阻的影響並不明 顯，三者藻類毒性相似：
Methyl bromoacetate(5) Ethyl bromoacetate(3) Tert-Butyl bromoacetate(11)
4.當鹵素所連接的碳較遠離拉電子基，羰基（拉電子基）對於鍵結鹵素之 碳的電子雲密度的影響會下降，使得毒性下降：
Methyl bromoacetate(5) Methyl 3-bromopropionate(6)
≌ ≌
>
> ≌
5.當鹵素數目增加成兩個時，毒性下降：
Ethyl bromoacetate(3) Ethyl-2,3-di-bromopropionate(14) 羰基（拉電子基）對於鹵素鍵結之碳的電子雲影響被兩組鹵素-碳所稀 釋，使得 SN2 親核性取代反應相對較弱，毒性因此下降[45]。
3. 當鹵素數目增加成二至三個時，在毒性上的影響較無規則：
Ethyl bromoacetate(3) Ethyl dibromoacetate(12) Ethyl tribromoacetate(13) 推測原因為鹵素將碳包圍，碳被大量電子圍繞，使其對親核詴劑的吸 引力減弱，親核詴劑不易與其發生 SN2 親核性取代反應，毒性因此下降 [42]。
>
＞ ≌
5.2 急慢毒性比（Acute-Chromic Toxicity Ratio ; ACR）
在毒性詴驗中，由於慢毒性詴驗比急毒性詴驗需要更多的時間、物資 及人力。因此，現今大多利用外插法(extrapolation)得知毒物之毒性影響並 更進一步得知達到環境品質之標準。而固定的外插因子通常採用 10、100 或 1000 應用到可獲得的 EC50或 LC50以求得最大可接受的危害等級。而急 慢毒性比值(Acute –chronic toxicity ratio)即是經由此而發展出來的。
ACR=Acute toxicity/Chronic toxicity 之比值，由表 5.2.1 可知，以 EC10 計算出之結果，ACR 值大約都介於 2~7 之間。比較三個不同的終點，化學 物彼此之間的 ACR 的比值趨勢大致上是很接近的，除了 Ethyl
fluoroacetate(1)之外，以△DO 為反應終點時，主要以 Methyl
2-bromopropionate(7)、Ethyl-2-bromopropionate(8)值較高，以 Final yield 為 反應終點時，主要以 Methyl 2-bromopropionate(7) 、Ethyl chloroacetate(2) 值較高，以 Growth rate 為反應終點時，主要以 Methyl 2-bromopropionate(7)、
Ethyl bromoacetate(3)值較為偏高。Ethyl fluoroacetate(1)ACR 值很大，可能 原因為實驗過程的毒化物濃度選取不夠嚴謹，選用的濃度造成的毒性皆高，
所以無法模擬出合適之 EC10。
在本研究中，以△DO 為反應終點去掉 Ethyl fluoroacetate(1)後之 ACR 帄均值為 5.06。以 Final yield 為反應終點去掉 Ethyl fluoroacetate(1)後之 ACR 帄均值為 4.31。以 Growth rate 為反應終點去掉 Ethyl fluoroacetate(1) 後之 ACR 帄均值為 6.48。若將各化學物之三個終點之 ACR 值，皆取最大 值，去掉 Ethyl fluoroacetate(1)後所得之藻類毒性 ACR 帄均值 7.61。在不 考慮 Ethyl fluoroacetate(1)的情況下，若以 ACR 帄均值作為用來評估化學 物之慢毒性，選用 7.61 為較保險的。若以較嚴謹的立場來評估慢毒性，在 不考慮 Ethyl fluoroacetate(1)的情況下，ACR 值以 15 最為保險，95%的化 學物的 ACR 值在 15 以下。
表 5.2.1 鹵素取代酯類之
急慢毒性比值和斜率及截距5.3 鹵素取代酯類與基線毒性之比較
本研究室過去做了一系列有關非極性麻醉毒性化合物的研究並與 Log Kow 值迴歸同樣依三個不同的反應終點△DO，Final Yield，Growth rate 建立有關月芽藻的基線毒性(baseline toxicity)關係分別以 Eq(1)、Eq(2) 、 Eq(3)表示[39-40]：
Log (1/ EC50 , DO ) = 0.978 Log Kow - 1.83 (5.1) n = 26, R2 = 0.94, Q2 = 0.932, S = 0.332, F = 380.2
Log (1/ EC50 , FY ) = 0.9 Log Kow - 1.4 (5.2) n = 48, R2 = 0.87, Q2 = 0.866, S = 0.49, F = 303.7
Log (1/EC50 ,GR) = 0.974 Log Kow -1.95 (5.3) n = 26, R2 = 0.943, Q2 = 0.933, S = 0.325, F = 393.5
本節希望利用此基線毒性預測鹵素取代酯類之毒性，進而判斷毒性作 用機制。表 5.3.1 為比較利用基線毒性所預測之結果與實際毒性之殘差。
因鹵素取代酯類屬於反應性毒物的毒性作用機制，所以理論上毒性應 比基線毒性高，大部分結果跟預期相符，但 Methyl 3-bromopropionate(6)、
Ethyl-2-di-bromoisobutyrate(10)的毒性卻十分接近基線毒性。若比較其 RC50 值，Ethyl-2-di-bromoisobutyrate(10)大約為 128.1(mM) ，Methyl
3-bromopropionate(6)為 6.786(mM)，為此次實驗 14 個毒化物中，反應性屬 於較不顯著的。更詳細的論述於 5.5.2 節進行更詳細的討論
表 5.3.1 利用基線毒性預測鹵素取代酯類之毒性
NO Chemical Log Kow
Log(1/EC
50, △DO) Log(1/EC
50,FY) Log(1/EC
50,
GR)
Obse. Pred. Residual Obse. Pred. Residual Obse. Pred. Residual 1 Ethyl fluoroacetate 0.80 3.6418 -1.0540 4.6958 4.2909 -0.6800 4.9709 3.1188 -1.1708 4.2896 2 Ethyl chloroacetate 0.94 3.2880 -0.9182 4.2062 3.2043 -0.5540 3.7583 3.2323 -1.0344 4.2667 3 Ethyl bromoacetate 1.21 4.5247 -0.7436 5.2683 4.6794 -0.3920 5.0714 4.3694 -0.8591 5.2285 4 Ethyl iodoacetate 1.62 4.8374 -0.2586 5.0960 4.8904 0.0580 4.8324 4.6735 -0.3721 5.0456 5 Methyl bromoacetate 0.72 4.3407 -1.1316 5.4723 4.4148 -0.7520 5.1668 4.2455 -1.2487 5.4942 6 Methyl 3-bromopropionate 1.21 0.1330 -0.6563 0.7893 0.3857 -0.3110 0.6967 0.1306 -0.7715 0.9020 7 Methyl 2-bromopropionate 1.13 2.7420 -0.7339 3.4759 2.6458 -0.3830 3.0288 2.1021 -0.8494 2.9515 8 Ethyl-2-bromopropionate 1.63 2.9682 -0.3847 3.3529 3.2442 -0.0590 3.3032 2.8569 -0.4987 3.3556 9 Methyl 2-bromobutyrate 1.63 1.9453 -0.2489 2.1942 2.0307 0.0670 1.9637 1.8950 -0.3624 2.2574 10 Ethyl-2-di-bromoisobutyrate 2.08 1.1318 0.1876 0.9442 0.9760 0.4720 0.5040 0.7375 0.0759 0.6616 11 tert-Butyl bromoacetate 2.08 3.9801 0.1876 3.7925 4.0701 0.4720 3.5981 3.8388 0.0759 3.7629 12 Ethyl dibromoacetate 1.48 3.3737 -0.3944 3.7681 3.3420 -0.0680 3.4100 3.1616 -0.5085 3.6700 13 Ethyl tribromoacetate 2.49 3.1936 0.5853 2.6083 3.1277 0.8410 2.2867 2.7039 0.4753 2.2286 14 Ethyl-2,3-di-bromopropionate 1.97 3.2028 0.0809 3.1219 3.4273 0.3730 3.0543 3.1114 -0.0312 3.1426
EC
50單位皆為莫爾濃度(mM)。Obse.：
Log(1/EC
50)
observedPred.：
Log(1/EC
50)
predictedResidual =
Log(1/EC
50)
Observed-
Log(1/EC
50)
Predicted圖 5.3.1 毒性數據與LogKow 之相關性
Log(1/EC
50, △DO) obser ved
● 殘差值大於1