Мир, созданный химиками. От философского камня до графена - Петр Образцов

C другой стороны, одно очень сложное по строению соединение интенсивно пахнет амброй, а чрезвычайно структурно близкое ему соединение с заменой всего-то атома водорода на метильную группу — СН3 вообще не пахнет.

Химики попытались уточнить эту теорию, отдав должное пространственному строению молекулы пахучего вещества, но присвоили основную роль в происхождении запаха положению функциональных групп. И действительно, среди душистых веществ можно выделить несколько больших классов с соответствующими функциональными группами — это сложные эфиры, альдегиды, кетоны, спирты. Однако и эта теория не дает возможности предсказать, каким будет запах нового синтезированного вещества.

В целом ряде случаев была установлена связь строения молекулы пахучего вещества с частотой колебания атомов или функциональных групп, но и это, как и несколько десятков других теорий, не позволяет решить задачу о создании определенного запаха. Впрочем, совсем недавно было показано, что мухи дрозофилы действительно реагируют на колебания атомов, вызывающих электромагнитное излучение, а не на геометрию молекулы. Оказалось, что при наличии выбора мухи предпочитают приятно пахнущий для них ацетофенон, в котором обычный изотоп водорода протий заменен на вдвое более тяжелый изотоп дейтерий. Молекула ацетофенона при такой замене не изменяется геометрически, и ее химическая активность тоже остается без изменений. А вот колебания у дейтерированного ацетофенона совсем иные.

Но теория теорией, а и сейчас, в начале третьего тысячелетия, лишь огромный накопленный химиками и парфюмерами опыт и тысячи экспериментальных фактов служат основой для разработки новых душистых композиций. Например, установлено, что сложные эфиры, вещества общей формулы

где R1 и R2 — углеводородные радикалы, обладают чаще всего цветочным или фруктовым запахом. Всем известная грушевая эссенция не что иное, как изоамиловый эфир уксусной кислоты C7H14O2, а запах ананаса отлично передает этиловый эфир масляной кислоты C8H16O2. Промышленный синтез таких веществ не представляет особого труда, и во многих кондитерских изделиях, напитках и парфюмах присутствуют эти или другие эфиры.

Интересные закономерности были обнаружены, когда химики стали сравнивать запах веществ, принадлежащих к одному классу соединений, так называемому гомологическому ряду. Оказалось, что такие вещества обладают примерно одинаковым запахом, который, однако, постепенно ослабевает с увеличением количества атомов углерода в цепи. Соединение с 18 атомами углерода часто уже вовсе не пахнет. В свою очередь, запах соединений с углеродными циклами зависит от величины этого цикла. Пяти-шестичленные циклы пахнут миндалем или ментолом, девяти-двенадцатичленные циклы — камфорой, последующие циклы благоухают кедровой смолой, мускусом, луковым соком. А начиная с 19 атомов углерода в цикле эти вещества теряют запах.

Важно, что запах вещества воспринимается по-разному в зависимости от его концентрации. Во-первых, существует пороговая концентрация веществ, начиная с которой человек ощущает запах. Обычно это примерно 10-7 граммов вещества или примерно 10 тысяч триллионов молекул в кубическом метре воздуха. Впрочем, такое вещество, как тринитробутилтолуол, наши рецепторы ощущают при концентрации в 10 тысяч раз меньшей — 10–12 граммов в кубическом метре. Чувствительность обонятельных рецепторов собак неизмеримо выше. Собака чувствует запах испорченного сливочного масла (масляную кислоту) при концентрации всего 10 миллионов молекул в кубическом метре воздуха, то есть собачий нос в миллиард раз чувствительнее человеческого. Недаром наркотики и взрывчатку в аэропортах и на станциях метро выискивают специально обученные собаки. Во-вторых, в чистом виде запах, например цибета (см. ниже), довольно неприятен, при разбавлении же и в составе парфюмерных композиций доставляет явное удовольствие. Похожая история и со знаменитой амброй, образующейся в желудках кашалотов. В обычных условиях амбра пахнет, как и положено продукту жизнедеятельности животного, фекалиями, но в составе дорогих духов амбра играет роль закрепителя запаха и ценится очень высоко.

Чуткие носы

Понятно, что изучение душистого вещества начинается с его анализа. Решающую роль в этом сыграла хроматография — метод разделения сложных смесей на отдельные компоненты, кстати, открытый российским ботаником Михаилом Семеновичем Цветом в 1900 году. Он взял стеклянную трубку, заполнил толченым мелом и пропустил через нее водный цветочный экстракт. Входившие в состав экстракта пигменты адсорбировались на разных участках трубки, и далее их было легко выделить и идентифицировать. М. С. Цвет назвал этот метод «цветописью», то есть хроматографией, но понять, в честь разделения цветных пигментов или в свою честь он так сделал, уже нельзя. Свою совершенно революционную работу он опубликовал в провинциальных ботанических журналах, так что про его метод, как это часто случалось с российскими открытиями, за рубежами нашей Родины никто не услышал, зато в 1952 году за разработку одного из видов хроматографии англичане А. Мартин и Р. Синг получили Нобелевскую премию.

Идентификация компонентов вещества, то есть установление химической формулы и строения, сейчас проводится с использованием масс-спектрометрии, — метода «разбиения» молекулы вещества на отдельные фрагменты с последующим компьютерным воссозданием структуры. До появления этого метода в качестве своеобразных идентификаторов выступали опытные парфюмеры, которые держат в памяти несколько сотен запахов и в состоянии хотя бы примерно определить, какому веществу соответствует данный пик на самописце. Интересно, что дегустаторов запаха, или, как их еще называют, «носов», до сих пор нанимают парфюмерные компании для экспресс-анализа духов конкурентов, причем за большие деньги. Сия задача весьма непроста: в состав знаменитой «Шанели № 5» входит около сотни различных соединений, причем точный состав этих духов до сих пор знают только его изготовители.

Очень многие соединения, использующиеся в парфюмерной промышленности, сейчас искусственно производят в больших количествах. Например, пахнущий ландышем линалоол получают из продуктов переработки древесины. Успехи химии позволили синтезировать такие важнейшие душистые вещества, как мускон C16H30O (действующее начало мускуса из железы самцов кабарги) и цибетон C17H30O (действующее начало мазеобразного вещества цибета из железы африканской кошки циветты).

А ведь еще 40 лет назад для получения всего 2 тонн мускуса ежегодно убивали более 60 тысяч самцов кабарги, а для выделения 1 килограмма розового масла было необходимо переработать 3 тонны лепестков розы! Сейчас мировое производство душистых веществ, в основном синтетических, достигает 150 тысяч тонн. При этом сложные композиции содержат часто десятки, если не сотни различных химических веществ, и уже никто не сетует, что в большинстве своем эти вещества не «природные», а получены в результате синтеза, хотя и сегодня используются вещества растительно-животного происхождения. Знаменитые советские духи «Красная Москва» содержат около 100 синтетических и природных соединений.

Душистые вещества играют огромную роль в нашей жизни еще и потому, что мы «не живем, чтобы есть, а едим, чтобы жить», и запах пищи оказывает сильнейшее воздействие на человека. За тысячелетия эволюции люди научились определять несъедобную или гнилую пищу просто по запаху, даже не пробуя на язык. О вкусе пищи мы уже говорили в главе 3, а здесь займемся ее ароматами и ароматизаторами.

Острова пряностей

Современная пищевая промышленность — это большое и серьезное производство, в котором используются новейшие технологии и тысячи самых разнообразных веществ. Важное место среди них занимают ароматизаторы, о содержании которых в пакетике супа или брикете киселя необходимо указывать. Многие из этих веществ применяют уже столетиями.

Вообще ароматизаторы входят в группу «пряностей и приправ», а пряности — это корица, лавровый лист, мускатный орех, стручки ванили и ванильный сахар, высушенные гвоздичные почки, три вида молотого перца, имбирь, кардамон и множество других экзотических продуктов. Именно экзотических — так уж случилось, что большинство теплолюбивых растений, из которых получают пряности, в Европе не растет. В Средние века за ними на Восток снаряжали целые экспедиции, и именно за пряностями в 1492 году поплыл в «Индию» Колумб, а в 1520 году отправился в кругосветное путешествие Магеллан. «Островами пряностей» назывался один из архипелагов нынешней Индонезии. За обладание «пряными» странами и островами боролись крупнейшие европейские державы. И дело здесь не только во вкусовых пристрастиях богатых европейцев — пряности обладают сильным бактерицидным эффектом. Холодильников тогда еще не изобрели, а потому сохранение продуктов, особенно мяса, было сложнейшей, жизненно важной проблемой.