Природные душистые вещества и современная химия

ЖИВАЯ ПРИРОДА предоставила человеку не только невообразимо богатую палитру красок и гамму звуков: она подарила ему еще и бесконечно многообразный мир запахов. Поэтому есть все основания полагать, что человек еще в незапамятные времена начал использовать природные душистые вещества для своих нужд.

Искусство парфюмерии не могло бы иметь столь древней истории, если бы оно не удовлетворяло тех или иных насущных потребностей человека. Душистые вещества играют большую роль в обрядах многих религий; они дают известную возможность приукрасить и бренную жизнь. Наконец, они использовались и как лекарства: теперь известно, что многие компоненты природных душистых эфирных масел (эссенций) действительно обладают ярко выраженной фармакологической активностью.

Но настоящая история парфюмерии началась лишь после того, как был открыт один из основных способов выделения и очистки летучих веществ — перегонка. Этот процесс был открыт в странах Востока — Египте, Персии, Индии, Китае; а затем, в античные времена, перенесен в Европу — об этом свидетельствуют описания Плиния, Диоскорида, Геродота Именно перегонка и позволила парфюмерам древности получать благовония, сравнимые с нашими духами.

ПРИРОДНЫЕ ДУШИСТЫЕ ВЕЩЕСТВА (совместно с веществами чисто синтетического происхождения) широко используются и современной парфюмерией. Однако подход к промышленному получению этих веществ за последние сто лет изменился коренным образом.

Это произошло благодаря фантастическим успехам органической химии. Начиная примерно с 1870 года (и особенно за минувшие 50 лет), все наиболее интересные душистые растительные экстракты хотя бы раз побывали в руках известнейших химиков-органиков, которые со всей возможной научной строгостью исследовали их состав. Так было выделено большое число индивидуальных веществ с характерным запахом, а их структуры установлены и подтверждены синтезом (Надо отдать должное терпению и искусству пионеров этих исследований: оно заслуживает безграничного восхищения. Даже сегодня, с помощью самой современной техники, анализ природных душистых веществ требует долгих лет кропотливейшего труда.)

Вторжение органической химии в парфюмерию имело весьма разнообразные последствия. Например, оно естественным образом породило производство синтетических душистых веществ, что заставило парфюмеров приспосабливаться к новой ситуации; им пришлось изучать свойства и возможность использования непривычных продуктов, выходящих из стен лабораторий. Парфюмерное искусство стало, таким образом, в значительной мере зависеть от органического синтеза и одновременно потеряло свой былой, чисто эмпирический характер. К счастью, парфюмеры с восхищением приняли эту полную возможностей техническую революцию: они начали создавать оригинальные духи на основе нового сырья Им удавалось даже с большей или меньшей точностью имитировать важнейшие естественные ароматы: розы, жасмина...

Другое, не менее важное следствие этого вторжения состояло в прогрессе самой химии: в ходе исследования природных душистых веществ были сделаны многие замечательные открытия, которые помогли установить или уточнить ряд фундаментальных научных концепций. Говоря об этом, принято вспоминать об установлении строения первых природных макроциклических соединений (молекулы которых содержат кольца, построенные из более чем двенадцати углеродных атомов) и об окончательном установлении изопренового правила (позволяющего объяснить природу и химическое строение терпенов, очень важного класса природных веществ). Эти открытия принесли профессору Леопольду Ружичке в 1939 году Нобелевскую премию по химии.

КАКОВЫ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ взаимоотношения между органической химией и природными душистыми веществами? Последние пять или десять лет характеризуются все более и более широким использованием химиками-органиками физических методов выделения веществ и исследования их молекулярного строения. Эти новые методы в сочетании с уже ставшими традиционными техническими приемами позволяют выделять и идентифицировать многочисленные компоненты природных душистых смесей с такой тщательностью, что уже появляется возможность совершенно точно воспроизводить их химическим путем. (Мы говорим именно «точно воспроизводить», а не «имитировать»: это означает, что полученные синтетические душистые смеси по своему составу и свойствам совершенно эквивалентны исходным эссенциям.)

Эссенции жасмина (Jasminum grandiflorum L.) и акации (Acacia farnesiana Willd) представляют собой два примера важнейших природных душистых веществ, которые были воспроизведены после долгих исследований такого рода. И все же это довольно редкие примеры, так как лишь небольшое число лабораторий обладает техническими средствами и научным уровнем, необходимыми для выполнения работ такого масштаба. Впрочем, нет никаких сомнений, что будущее принесет нам новые достижения в этой области, которые, быть может, положат начало новому этапу в истории парфюмерии.

А сейчас следует принять один факт во всей его философской значимости: человек стал способен конкурировать с природой в одном из ее сложнейших проявлений, воспроизводя из углерода, водорода, кислорода и азота наиболее утонченные ароматы. Для того, чтобы в полной мере подчеркнуть значительность достигнутого, заметим, что идея замены природных душистых веществ их химическими эквивалентами долго казалась химерической даже многим лучшим специалистам в этой области. Вот, например, одно из высказываний такого рода: ^[1]«Такие (химические) исследования редко дают основания считать возможной замену природных душистых веществ. Эта мысль о конкуренции с природой возникает только у тех, кто не слишком знаком с историей и возможностями парфюмерии»! Отметим, однако, что мнение этих авторов в 1939 году было вполне обоснованным: в то время еще почти не существовало всех тех могучих методов исследования вещества, которыми располагает современный химик.

А ТЕПЕРЬ ПОПРОБУЕМ проникнуть в современную лабораторию, которая занимается исследованием природных душистых веществ. Представим себе, что химик должен полностью проанализировать и воспроизвести одно из них. Каковы будут основные этапы его работы?

Первый этап должен заключаться в разумном выборе объекта исследования: чем более ценным он будет, тем apriori больше шансов на то, что стоимость синтезированного вещества окажется меньшей или хотя бы сравнимой со стоимостью природного продукта (разумеется, выбранное душистое вещество должно находить широкое применение в парфюмерии). Желательно также, чтобы душистое вещество было получено в результате процесса, при котором сохраняется химическая целостность его компонентов: например, обработкой цветов летучими органическими растворителями (бензолом, петролейным эфиром); напротив, дистилляты эссенций, получаемые обработкой цветов водяным паром, часто содержат большое количество химических соединений, образующихся в процессе обработки, а это значительно усложняет анализ.

И вот выбор сделан. Теперь химик позаботится о том, чтобы удалить из душистого вещества основную часть парафинов, жиров и растительных восков, не обладающих запахом; надежная техника обезжиривания заключается в обработке эссенции холодным спиртом. Затем обезжиренную эссенцию исследователь подвергнет одной или нескольким фракционным перегонкам в вакууме для того, чтобы получить «очень летучую», «летучую», «мало летучую» и «неперегоняемую» части, которые станет анализировать по отдельности.

Но с этого момента характер и последовательность операций уже определяются химическим составом анализируемой смеси, и, следовательно, здесь трудно обобщать. Тем не менее можно с основанием предположить, что химик попробует разделять индивидуальные компоненты четырех полученных при перегонке фракций с помощью различных хроматографических методов.

Наиболее известна жидкостная хроматография. Этот метод, первоначально использованный для изучения природных красителей, весьма прост и заключается в том, что анализируемую смесь заставляют протекать через стеклянную трубку, наполненную специальным активным порошком (окисью алюминия, кремнеземом, углем, сахаром и т. д.). Различные компоненты смеси в большей или меньшей степени задерживаются этим порошком, и поэтому проходят через трубку с разными скоростями. Они выходят из трубки один за другим, и исходная смесь оказывается разделенной.

В газовой хроматографии используется аналогичный принцип, но анализируемая смесь проходит через разделительную трубку в виде пара, при этом чаще всего требуется нагревание, иногда вплоть до температур порядка 350°. Этот метод несколько сложнее в исполнении, но достигаемое разделение оказывается гораздо более точным.

Наконец, хроматография в тонких слоях существенно отличается от двух предыдущих вариантов. Здесь активный порошок наносится на стеклянную пластинку слоем толщиной в несколько десятых миллиметра. На небольшом расстоянии от конца пластинки помещают каплю анализируемой смеси, а затем осторожно погружают этот конец в подходящий растворитель (бензол, эфир и т. д.). Активный слой ведет себя как листок фильтровальной бумаги и впитывает растворитель, который постепенно поднимается, захватывая с собой компоненты смеси и перемещая их с различными скоростями. Этот метод имеет важное преимущество перед предыдущими, так как может быть использован для анализа очень малого количества вещества (обычно несколько тысячных миллиграмма) и не требует никакого нагревания.

ИТАК, РАЗУМНО КОМБИНИРУЯ описанные хроматографические методы, химик успешно закончил полное разделение компонентов душистого вещества. Немедленно перед ним возникнет новая проблема: ему понадобится идентифицировать или даже установить строение каждого из 10, 50, 100, а может быть и 200 веществ, которые он сумеет выделить чаще всего в количестве лишь нескольких миллиграммов.

Ученый сумеет очень элегантно разрешить эту проблему, если обратится к некоторым современным физическим методам исследования, единственно способным дать нужные результаты.

Он использует, например, масс-спектрометрию, которая заключается в том, что несколько тысячных миллиграмма вещества подвергают бомбардировке электронами с определенной энергией. Электроны дробят молекулы на многочисленные ионы с характерными массами, которые регистрируются на специальном графике, называемом масс-спектром. Такие осколки подобны кускам мозаики, из которых часто удается воспроизвести структуру исходных молекул или, по крайней мере, определить их массу и состав.

Другой современный метод — ядерный магнитный резонанс — позволяет узнать число и местоположение атомов водорода в изучаемом веществе, которого нужно для этой цели всего лишь несколько миллиграммов Этот метод основан на очень точном измерении изменений магнитного поля вокруг каждого атома водорода.

Наконец, для завершения своих структурных исследований химик сможет обратиться к некоторым более старым методам, таким как инфракрасная и ультрафиолетовая спектроскопии. Все эти методы, примененные вместе или порознь, позволят ему приписать правильную химическую формулу каждому из компонентов природного душистого вещества. После этого останется только получить эти вещества — сначала в лаборатории, если они оказались новыми, а затем на заводе. Но мы не останавливаемся подробно на этой синтетической части исследования, которая, впрочем, может потребовать столь же долгой и тонкой работы, что и описанная нами аналитическая часть.

ХИМИК, КОТОРОМУ УДАЛОСЬ искусно разрешить проблемы, одна за другой возникавшие перед ним на протяжении нескольких лет исследований, получает в итоге совокупность точных результатов, эти результаты позволят парфюмеру приступить к полному воспроизведению изученного душистого вещества.

Честь выполнения этого решающего этапа действительно принадлежит парфюмеру, а не химику, так как недостаточно смешать в нужной пропорции обнаруженные при анализе компоненты для того, чтобы сразу воссоздать оригинальный запах: даже при самом точном химическом анализе некоторые весьма тонкие, но порой очень важные детали неизбежно ускользают. Парфюмер как раз и призван компенсировать эти последние различия, опираясь на свое эмпирическое искусство, — без него синтетическое душистое вещество не будет обладать всеми качествами своего природного аналога.

И, наконец, он получит духи, пользующиеся большим спросом, очень трудно имитируемые, продажа которых с лихвой окупит те немалые затраты, которые потребовались для достижения поставленной цели.

...МЫ НАДЕЕМСЯ, что этот краткий обзор дал читателям реальное представление о возможностях современной химии природных душистых веществ. Стоит в последний раз подчеркнуть, что полное воспроизведение этих веществ требует привлечения методов, соответствующих современному состоянию науки и техники, и использования объединенных усилий химиков, физиков, инженеров и парфюмеров, обладающих большим опытом, работающих сообща, в контакте с внешним научным миром.

Вместе с тем эти экстраординарные средства не должны создавать иллюзии: они еще до смешного примитивны и неэффективны по сравнению с теми, которыми природа вооружила каждую растительную клетку!

^[1] Y.-R Naves, et G. Mazuyer. «Les parfums natu- rels», Paris. 1939.

Эдуард ДЕМОЛЬ, «Firmenich el Cie», Женева