鹵素取代酯類之毒性作用機制以 Russom[17]毒性機制的分類屬於反 應性中的親電性/前親電性，會與生物體中之親核詴劑進行 SN2 親核性取代 反應，因而造成毒性之機制。
2.3.1 親核詴劑之介紹
親核詴劑為尋找正電性中心的一種詴劑，任何具有未共用電子對之負 離 子 或 分 子 即 為 親 核 詴 劑 。 親 核 詴 劑 根 據 軟 硬 酸 鹼 理 論 簡 稱 HSAB
（Hard-Soft-Acid-Base）被分為軟親核詴劑和硬親核詴劑。「軟」是指具有 較低電荷密度和較大半徑的粒子，「硬」是指具有較高電荷密度、較小半 徑的粒子。在所有其他因素相同時，「軟」的親核詴劑與「軟」的親電詴 劑反應；「硬」的親核詴劑與「硬」的親電詴劑反應，大體上來說，「硬親 硬，軟親軟」生成的化合物較穩定。
大多的生物體中皆含有親核詴劑，尤以氨基酸（- NH2）的，羥基（羧 基）（- OH）的和巰基（-SH）為最重要，因為它們常見於許多生物大分子 中，如蛋白質、DNA 等等[18]。因此，本次實驗選用穀胱甘肽上的巰基（軟 親核詴劑）作為身物體中親核詴劑之代表，用來描述鹵素取代酯類（軟親 電詴劑）的親電性毒性反應過程。
2.3.2 SN2 親核性取代反應之介紹
在有機及無機化學中，親核取代為取代反應的一種基本型式，其中富 含電子的親核詴劑（nucleophile）攻擊接有離去基（leaving group）的原子，
此種帶有脫離基為帶正電或帶部分正電的原子或原子團，又稱為親電子詴
劑 ，
圖 2.3.1 雙分子親核取代反應（SN2）
上圖為描素生物體內之親核詴劑與鹵素取代酯類中鍵結鹵素之碳所 發生的雙分子親核取代反應。Nu 代表親核詴劑而 Cl 代表鹵素離去機。
在此反應中，其反應數率同時牽涉到：1. 親核詴劑；2.鹵素離去基。
較強親核詴劑直接由背面進攻碳原子，並形成不穩定的一碳五鍵的反 應中間體，隨後離去基團離去，完成取代反應[8]。
SN2 屬於二級反應，與兩個反應物的濃度相關：
親核詴劑[Nu−]和底物[RX]。 r= k[RX][Nu−] (2.1)
詴劑親電親核強度的大小主要取決於詴劑電量和極性、中心原子的電 子的可極化性、空間位阻等因素[19]。
本次實驗中，以穀胱甘肽（GSH, glutathione）（圖 2.3.2）作為一化學 反應參數。用來描素化學物質與生物體中的親核詴劑的親電性反應。
圖 2.3.2 穀胱甘肽之化學結構
穀胱甘肽（GSH, glutathione）為麩胺酸（Glutamate）、半胱胺酸（Cysteine）
和甘胺酸（Glycine）所組成之三肽（Tripeptide），存在於真核生物之細胞 當中，是細胞內濃度最高的的抗氧化劑，有抗氧化及協助解毒等功能。GSH 中之半胱胺酸具有硫醇基（Thiol group，-SH 為親核性支鏈），會與親電 性物質（如鹵素取代酯類）產生 SN2 親核性取代反應（上述之介紹），進 而取代鹵素[20-22]。
因此本次研究參考以前之文獻，利用化合物與榖胱甘肽（GSH）之 半反應濃度（RC50,50% Reactivity Concentration）用來描述鹵素取代酯類 對於生物所造成之毒性反應，應是合理且可行的。
2.3.3 文獻之鹵素取代酯類之 QSAR
據 McFarland（1970），化學毒性是結合滲透到生物膜和與生物體內 互動之二參數來描述。麥克法蘭的數學方式表示如下：
(2.2) 這個等式可以簡單的以 toxicokinetic＋toxicodynamic 來表示
Toxicokinetic 用來描述具能力的毒物，到達生物作用位置之行為。該 階段包括化學毒物的吸收和代謝活化。
Toxicodynamic 用來描述化學物之生化反應，進而導致細胞產生之生 理反應[23]。
因此，鹵素取代酯類於過去之文獻中以疏水性參數（Log Kow）作為 Toxicokinetic，以化合物與榖胱甘肽（GSH）之反應抑制濃度（RC50, 50%
Reactivity Concentration）及親電性參數（ELUMO, Energy of the Lowest Unoccupied Molecular Orbital）作為 Toxicokinetic，對生物之毒性資料進行 迴歸[1,2][5-8][5-8][5-8]。
下表為本次所實驗之化學物之相關文獻(1,2,41)，包含實驗數據及其他 物化參數，下表之RC50為化學物質與穀胱甘肽（GSH, glutathione）之半反 應濃度；IGC50為化學物質對纖毛蟲（Tetrahymena pyriformis ）之EC50。
表 2.3.1 鹵素取代酯類之相關文獻數據
Daphnia magna (48h):
EC50 : 1.6 mg/l 6 Methyl 3-bromopropionate 3395-91-3 8.626 a 0.094 a 7 Methyl 2-bromopropionate 5445-17-0 1.500 a 0.066 a
8 Ethyl-
11 tert-Butyl bromoacetate 5292-43-3 0.085 a 0.004 a
12 Ethyl dibromoacetate 617-33-4 ND ND
13 Ethyl tribromoacetate 599-99-5 ND ND
14 Ethyl-
2,3-di-bromopropionate 3674-13-3 ND 0.006 b -0.52745 b
a： Data from Schltz TW. et al., 2007[1]. ; b： Data from DeWeese AD et al., 2001[2].
c： Data from Roberts WD. et al., 2010[41]. ; ND：no data 其他文獻由 Toolbox V1.1 查詢而得。
文獻中利用上表之纖毛蟲（Tetrahymena pyriformis ）之毒性數據和物 化參數回歸出以下式子。下式中之 R2為用來評判參數與毒性之間的相關性、
Rpred 2為預測能力、S 為標準偏差、F 為檢驗值用以比較模式之間統計上的 顯著性：
1. 利用化學物滲透到生物體和化學物於生物體內之互動之二參數：
Log (1/IGC50)=0.34 Log Kow -0.84 ELUMO-0.04 (2.3) n=16, R2=0.848, S= 0.26, F= 33
2. 以親電性參數穀胱甘肽之半反應濃度：
Log (1/IGC50)=0.848 Log (1/RC50)+1.40 (2.4) n=19, R2=0.926, Rpred2 = 0.905, S= 0.25, F= 33
根據上述雙分子親核取代反應之化學原理與先前之文獻數據，
[1,2,8,19]對於化學物的毒性，應有以下預期之驅勢：
相似的結構式，若鹵素離去基鍵結在相同位置的碳上，則預期毒性 的強弱會因與電負度(Electronegativity)呈反比，而有毒性：I > Br > Cl
> F 的趨勢。
相似的結構式，當鹵素所鍵結的碳上也有鍵結其他碳氫鍊，則因空 間位阻而預期毒性的強弱會有：
相似的結構式，若相同鹵素離去基接在不同位置的碳上，則預期毒 性的強弱會有：
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2.4 藻類毒性詴驗