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局部麻醉药的化学结构可概括为三部分：亲脂部分、中问连接链和亲水部分。
亲脂部分为取代的苯环或芳杂环，以苯环作用较强。中间连接链与局部麻醉药作用持效时间及强度有关。其麻醉作用时间顺序为-CH2->-NH->-S->-O-，麻醉作用强度顺序为-S->-O->-CH2->-NH-.亲水部分一般为叔胺，烷基以3～4个碳原子时作用最强。局部麻醉药结构中的亲水部分和亲脂部分必须有适当的平衡，即有合适的脂水分配系数，才有利于发挥其麻醉活性。一般来说，具有较高的脂溶性和较低的pKa的局麻药通常具有较快的麻醉作用和较低的毒性。
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