苯二氮䓬类药物一般含有5-苯基-1，4-苯并二氮䓬母核，B环七元亚胺-内酰胺环是产生药理作用的基本结构。A环一般为苯环，但可为生物电子等排体如噻吩等杂环替换，其活性保持。

地西泮的作用比氯氮䓬强，但仍有一定的毒副作用。研究地西泮的代谢时，发现它在体内经N-脱甲基、3-位氧化等生物转化生成的代谢产物奥沙西泮（Oxazepam）具有活性，其作用强度与地西泮相同，而副作用低于地西泮，已成为临床常用药物。受奥沙西泮的启发，又发展了3-羟基的衍生物替马西泮（Temazepam）和劳拉西泮（Lorazepam）。

研究该类药物的构效关系时发现，1，4-苯二氮䓬A环上的取代基的性质对生物活性影响较大。当7位引入吸电子取代基（例如卤素、硝基等）能显著增强生理活性，吸电子越强，作用越强，其次序为NO2＞Br＞CF3＞Cl，如硝西泮（Nitrazepam）和氯硝西泮（Clonazepam）活性均比地西泮强。在6，8或9位引入取代基时活性降低。当A环为芳杂环时，与A环为苯环相比较，体内试验药理活性下降。

构效关系研究认为C环（5-位的苯基）取代也是产生作用的重要药效团之一，无苯基取代的化合物没有镇静催眠活性，C环不是与受体结合所必需的，但它的存在可提高药物分子的亲酯性或与受体结合的立体相互作用，它与A环平面的关系也很重要。5位苯环的2'位引入体积小的吸电子基团如F、Cl可使活性增强。如氟西泮（Flurazepam，氟安定）、氟地西泮（Fludiazepam）和氟托西泮（Flurazepam）等。

苯二氮䓬类镇静催眠药结构中具有1，2位的酰胺键和4，5位的亚胺键，在酸性条件下两者都容易发生水解开环反应（见图1-2，苯二氮䓬类药物的水解），这是引起该类药物不稳定、作用时间短的原因。为增加该类药物对代谢的稳定性，在1，4-苯二氮䓬的1，2位拼上三唑环，不仅可使代谢稳定性增加，而且提高了与受体的亲和力，活性显著增加。如艾司唑仑（Estazolam）、阿普唑仑（Alprazolam）和三唑仑（Triazolam），活性均比地西泮强几十倍。

构效关系研究还发现，4，5-位双键是重要的药效团，双键饱和时可导致活性降低。为了减少4，5开环代谢，可在4，5位并入四氢噁唑环，如噁唑仑（Oxazolam）、卤噁唑仑（Haloxazolam）和美沙唑仑（Mexazolam）等，这些药物在体外无效，在体内其含氧环可在代谢过程中除去，重新得到4，5双键而产生药效，如美沙唑仑自肝脏代谢为仍有活性的氯去甲安定和氯去甲羟安定，所以上述药物是前体药物。卤噁唑仑的作用部位在大脑边缘系统，阻止各种刺激向觉醒系统传导故诱发睡眠，对神经障碍造成的睡眠效果最好。

将苯二氮革的苯环用生物电子等排体如噻吩等杂环置换时，仍保留较好的生理活性，如溴替唑仑（Brotizolam）和依替唑仑（Etizolam），后者主要作为抗焦虑药。

构效关系研究还发现，当N上引入—CH2CF3，2位O被电子等排体S替代，得到夸西泮（Quazepam），它本身的半衰期是41小时，但它的活性代谢物α-氧夸西泮和N-脱烃-α-氧夸西泮仍具有催眠活性，半衰期可达47～100小时。它选择性地与苯二氮䓬Ⅰ型受体作用，是长效的抗焦虑和镇静催眠药，有时会造成宿醉（hangover）现象。