Мир, созданный химиками. От философского камня до графена

Однако систематическое изготовление ароматных композиций на основе вытяжек из различных частей растений началось только в конце XV века в Провансе, а через пару столетий лавандовое и розмариновое масла стали важным предметом экспорта с юга Франции. И сейчас тысячи гектаров прованской земли заняты под лавандовые плантации. Одеколон (о-де-Колон, «кёльнская вода») появился в первой четверти уже XVIII века, но первые теории о связи запаха с химическим строением душистого вещества ученые придумали только во второй половине ХХ столетия.

Прежде всего простыми опытами было доказано, что запах носит молекулярный характер, то есть для возникновения ощущения запаха на обонятельные рецепторы должны попасть молекулы пахучего вещества, а не электромагнитные волны, испускаемые или отражаемые одеколоном. Это ощущение полностью пропадало, когда между рецепторами в носу и источником запаха устанавливалась перегородка. В 1948 году британский ученый Джон Эймур выделил семь первичных запахов (эфирный, камфарный, цветочный, мятный, мускусный, гнилостный и острый) и предложил теорию, которую сейчас можно было бы назвать «теорией ключа и замка» (как и в случае ферментов, см. главу 6). Он считал, что каждому из запахов соответствует определенная негибкая форма молекулы вещества («ключ»), а обонятельный рецептор имеет подходящую форму «замка». Увы, слишком большое количество фактов противоречит этой теории, молекулы веществ с одинаковыми запахами имеют совершенно различные структуры, а множество веществ с похожей геометрией молекул обладают несравнимыми ароматами. Например, розой пахнет не только вещество розатон, согласно своему названию, но и 3-метил-1-фенил-3-пентанол С ₆Н ₅СН ₂СH ₂С(СН ₃)(С ₂Н ₅)ОН, гераниол и розеноксид.

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 — СН ₃вообще 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 R ₁и R ₂— углеводородные радикалы, обладают чаще всего цветочным или фруктовым запахом. Всем известная грушевая эссенция не что иное, как изоамиловый эфир уксусной кислоты C ₇H ₁₄O ₂, а запах ананаса отлично передает этиловый эфир масляной кислоты C ₈H ₁₆O ₂. 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.