Строение вещества и запах по новейшим воззрениям

Одной из основных задач химика, работающего в области душистых веществ, является стремление отыскать зависимость между строением вещества и его запахом. Разрешение этого вопроса даст возможность, идя по определенному пути синтеза к веществу с заранее намеченным строением, одновременно ставить себе задачу получения определенного запаха, поскольку аналогичный вопрос вполне разрешен для красящих веществ и, в значительной степени, для лекарственных продуктов, постольку связь между строением вещества и его запахом является проблемой, располагающей рядом гипотез, но ни одной прочно установившейся теории не имеет. Последние годы этому вопросу уделялось значительное внимание, и ряд химиков опубликовали довольно много интересного материала.

До последнего времени мы наблюдали спор между сторонниками чисто химического и физического объяснения чувства обоняния, так как это является первой стадией решения основного вопроса. Органом обоняния, как известно, являются определенные клетки, расположенные в углублении верхней части задних полостей носа, в стороне от непосредственно соединяющих нос и легкие путей. Клетки эти оканчиваются тонкими волосками, касающимися поверхностной мембраны этих углублений. От этих же клеток отходят тонкие нервы, передающие обонятельные впечатления в головной мозг. Bogert ¹) считает, что для раздражения этих нервов необходим химический процесс, возникающий при растворении душистого вещества в жидкости, увлажняющей мембрану и наполняющей клетки. По его мнению, обонять можно вещества нелетучие, вводя их в виде растворов, и даже интенсивность запаха меняется, в зависимости от концентрации раствора. Tscirch ²) также считает, что для раздражения обонятельных нервов необходим химический процесс, который протекает, однако, но его мнению, сначала между душистым веществом и плазмой клеток, давая непрочные промежуточные соединения, в свою очередь, действующие на нерв. В подтверждение своей теории Tschirch приводит действие энергично реагирующих веществ (хлор, уксусная кислота и др.), заболевания дыхательных путей (насморк), утомление олфакторных нервов Результатом именно химического действия душистых веществ может объясняться во всех этих случаях прекращение обоняния запаха. Близко к этим мнениям примыкает высказанный Ruzicka³) взгляд, что наличие определенных веществ, называемых им осмоцепторами, обусловливает образование промежуточных соединений, раздражающих обонятельный нерв. Химические процессы между душистым веществом и осмоцепторами, которых Ruzicka предполагает несколько, протекают более или менее сложно. Налицо может иметься или строго определенное сродство, исключающее возможность реакции с осмоцепторами, кроме одного, или избирательное сродство, приводящее к реакциям, разделенным во времени, т.е. протекающих сначала с одним, а после его израсходования — с другим осмоцептором. Возможны также одновременные реакции с несколькими осмоцепторами. В зависимости от этих условий запах может восприниматься однообразным пли изменяться во времени, этим же обусловливается простота или сложность запаха. Сторонником чисто химической теории является также Durrans ⁴), указывающий, что только при допущении химических процессов, вызывающих ощущение обоняния, можно объяснить такие явления, как поглощение душистых веществ при вдыхании их, утомление обонятельных нервов и т. д. Более старые работы Zwaardemaker‘а, Васkmann‘a, Hennig‘a и др. также объясняют действие душистых веществ на нервы чисто химическими процессами.

Резко расходящуюся с теориями указанных выше авторов выдвигает Teudt ⁵). По его мнению, в молекулах душистых веществ имеются внутримолекулярные колебания, которые вызывают соответствующие колебания в окружающей среде настолько слабые, что уловить их обычными способами не удается. Явлениями резонанса Tеudt объясняет раздражение нервов при приближении к ним душистых веществ. Своей теорией Teudt пытается объяснить причину запаха и в подтверждение правильности своих взглядов приводит наблюдения Tindal‘я об изменении теплопроводности воздуха. За исключением Ungerer и Stoddart⁶), предложивших аналогичную теорию, Teudt не встретил поддержки и большинство химиков выступило с резкой критикой его теории.

Исходя из химической теории обонятельного процесса только и можно было строить гипотезы зависимости запаха от строения вещества. Попытки разрешить этот вопрос путем установления исключительного значения осмофорных групп не привели к достаточно удовлетворительным результатам. Хотя в свое время Rupe и Majewski ⁷) доказали существование около 30 таких групп, но это не явилось выходом из положения, так как оказалось, что этих данных недостаточно, чтобы на основании их присутствия судить о запахе. Tschirch ⁸) считает установленным, что душистые вещества для получения человеком обонятельных впечатлений должны обладать определенными свойствами, и приходит к следующим выводам: 1) душистое вещество должно иметь определенную температуру; 2) оно должно хорошо растворяться в воздухе; 3) коэффициент распределения — душистое вещество { } воздух должен быть благоприятен в сторону воздуха; 4) коэффициент распределения — душистое вещество + воздух {} плазма обонятельного органа должен быть благоприятен в сторону последней; 5) душистое вещество должно содержать атомы, группы атомов или ионы, способные вступать в реакцию с плазмой; 6) осмофорные группы, вообще энергично вступающие в реакцию, осмофорны только, если они вступают в реакцию с плазмой; основной скелет имеет только второстепенное значение, поэтому классификация запахов на основании строения вещества невозможна; 7) запах имеют не самые вещества, а те чрезвычайно непрочные соединения, которые образуются в результате реакций между плазмой и душистым веществом, находящимся вследствие сильного разбавления в ионизированном состоянии. Необходимость определенного нагрева вещества проистекает из наблюдений, показавших, что, напр., эфир при очень низкой температуре как бы не имеет запаха. Понятие — растворимость в воздухе — Tschirch противопоставляет летучести, выводя ее из наблюдения Erdmann’a ⁹), показавшего, что растворяющая сила газообразного воздуха пропорциональна растворимости душистых веществ в жидком воздухе. Этим Tschirch объясняет разницу в запахе, в зависимости от концентрации и полагает, что налицо имеется процесс, аналогичный ионной диссоциации водных растворов.

O.Wallach ¹⁰), разбирая книгу Hennig’a «Der Geruch», высказывается за категорическую необходимость определенной степени летучести, но указывает, что летучесть не всегда сопровождается запахом. Запах обусловливается, по мнению этого маститого ученого, характером атомов: и развитие его идет параллельно с электрическими свойствами их. Если провести через периодическую систему Менделеева вертикаль через углерод, то вправо мы будем иметь элементы электроотрицательные, летучие, а налево — электроположительные, почти нелетучие и, в редких случаях, дающие душистые соединения, углерод и водород представляют исключения: первый — вследствие своей способности давать более или менее длинные цепи, второй же, вообще, занимает в системе обособленное место. Галоиды, напр., имеют характерный собственный запах и в значительной степени влияют на запах летучих соединений, вступая в молекулу последних. Поэтому представляется вероятным, что запах является функцией электрических свойств элементов, или иначе, электронного строения их. Что касается органических соединений, то, ограничиваясь соединениями углерода, водорода, азота и кислорода, можно наблюдать ряд закономерностей в образовании веществ, обладающих запахом. Углеводороды метанового ряда, начиная с метана, не имеющего запаха, в числе высших гомологов имеют соединения с едва заметным запахом, который снова исчезает при переходе к нелетучим парафинам. При переходе к ненасыщенным соединениям можно констатировать усиление запаха: этилен — с одной двойной связью — имеет лишь слабый запах, изопрен — с двумя двойными связями — пахнет довольно сильно. Ацетилен также обладает своеобразным запахом, который характерен для самого чистого продукта. Ароматические соединения, которые можно, применительно к данному вопросу, рассматривать как ненасыщенные, вполне подчиняются этому правилу. Для сравнения можно взять бензол, цимол, стирол; последний имеет ненасыщенную боковую цепь и обладает наиболее ясно выраженным и сильным запахом из данных трех веществ. Значительно резче выступают эти же закономерности в алициклическом ряду. Таким образом, для углеводородов двойные и тройные связи являются в значительной степени обусловливающими их запах. При вступлении кислорода в молекулу, существенную роль играет характер тех связей, при помощи которых он связан с углеродом. Присоединяясь простой связью, в виде ОН, — кислород обусловливает образование спиртов и от метана мы имеем переход к метиловому спирту, также не имеющему в чистом виде запаха. C увеличением числа углеродных атомов запах выявляется яснее и разветвление цепей усиливает его (сивушные масла). Появление в молекуле двойных связей (аллиловый спирт, цитронеллол, гераниол) совершенно изменяет запах по сравнению со спиртами жирного ряда с тем же числом углеродов. Пока не поддается объяснению наблюдаемое при этом явление, что соединения с 5 и 10 углеродами отличаются особенно ясно выраженным запахом. Вступление гидроксила в ароматическом ряду приводит к спиртам, если он вступает в боковую цепь, или к фенолам, если присоединение идет к ядру. Характерное различие запахов крезола и бензилового спирта всем известно и в данном случае можно говорить о запахе химической группы. Если в ряду фенолов и спиртов мы будем сравнивать соединения с ненасыщенной цепью с насыщенными соединениями, мы увидим значительное усиление запаха в присутствии двойных связей.

Вступление кислорода с присоединением его двойной связью к углероду

приводит к соединениям, аналогичным ненасыщенным. Начиная с формальдегида, обладающего сильным раздражающим органы обоняния действием, мы видим, что все летучие альдегиды обладают запахом, усиливающимся в низших гомологах до раздражающего, когда в его молекуле имеется двойная связь (акролеин, кротональдегид). Замечательно, что в ненасыщенном ряду соединения с 10 атомами углерода занимают особое место по силе и приятности запаха. Ароматический ряд также дает блестящий пример влияния двойной связи. При сравнении бензальдегида и коричного альдегида, отличающегося особенно сильным запахом, видно влияние ненасыщенной боковой цепи в последнем. При вступлении группы > C = О громадное значение имеет, в особенности в циклических соединениях, местоположение кетоновой группы. Экстрациклические кетоны представляют соединения с запахом аниса или амилацетата, среди интрациклических, которых известно значительное количество, ни разу не наблюдалось такого запаха.

Насколько важен именно характер связи показывают азотистые соединения. Простая связь между N и C(RNH₂, R₂NH и R₃N) приводят к аминам, имеющим запах, совершенно отличный от запаха соединений, в которых азот связан с углеродом всеми тремя связями — от запаха нитрилов. От обеих этих групп опять-таки сильно отличается запах изонитрилов, соединений, содержащих группу =C—N=C=. Несомненно, что углеродный скелет всего соединения также влияет на характер запаха, ибо соединения жирного и ароматического ряда пахнут настолько различно, что не распознать их невозможно. Не менее резко выступает различие и в гетероциклическом ряду.

На основании этих данных Wallach приходит к выводу, что запах зависит от нескольких совместно действующих причин: от характера взаимных связей между углеродами, от характера элементов присоединяющихся к углероду, от характера связей между ними и углеродом и, наконец, от относительного положения этих элементов и двойных или тройных связей в молекуле. Мы располагаем, однако, слишком незначительным экспериментальным материалом, чтобы на основании этих данных классифицировать вещества по запахам, основываясь на их строении.

Все эти соображения имеют достаточно оснований только при оговорке, что они относятся к веществам летучим, и это условие необходимо должно приниматься во внимание. Наличие группировок, обусловливающих запах при отсутствии летучести, дает непахучее вещество. Для летучести вещества необходимо также соблюдение определенных закономерностей в строении и составе. Любое пахучее вещество после введения сульфогруппы перестает быть таковым, ибо летучесть его исчезает. В этом же направлении действует накопление групп ОН, или COOH. Сравнивая спирты и соответствующие им гликоли, глицерины, мы можем констатировать исчезновение запаха у последних (напр., терпинеол и терпин). Это же относится и к фенолам (фенол и резорцин или пирогаллол). Присутствие альдегидной группы, вообще довольно сильно обусловливающей запах, парализуется гидроксилом (напр., виноградный сахар и гексиловый альдегид). Совершенно аналогичное явление наблюдается при увеличении числа карбоксильных групп (напр., кислоты жирного ряда, щавелевая, виннокаменная). В ароматическом ряду кроме этих же факторов (напр., фенол и салициловая кислота), мы можем наблюдать и влияние положения замещающих групп. В общем можно сказать, что орто-соединения более летучи, чем пара-соединения (напр., орто-окси-бензальдегид обладает запахом, пара-окси-бензальдегид не пахнет). В ряду нафталинах а-положение является по сравнению с в-положением фактором, усиливающим летучесть. Чем объясняются эти явления — неясно, но опыт показывает, что введением групп, усиливающих летучесть, в соединения, лишенные запаха, вследствие присутствия групп, действующих в этом отношении негативно, можно снова установить пахучесть. Как простейший пример можно указать этерификацию, т. е. замену группы —ОН на —OR. Таковы: переход от гидрохинона, не имеющего запаха, к его пахучим метиловым эфирам; переход от протокатехуальдегида к ванилину и т. п. Аналогичное действие замечается при отнятии воды от 1—4 или 1—5 гликолей (напр., терпин и цинеол).

Приблизительно в том же направлении развивает свою теорию Zwaardemaker¹¹), но одновременно он различает факторы, влияющие на силу запаха и на его качество. К числу первых он относит преимущественно физические свойства, как то летучесть (которая, как мы видели выше, в значительной степени является зависимой от характера и числа входящих в соединение атомов и групп), способность диффундировать, способность абсорбироваться водой и растворяться в липоидах. На характер и качество запаха влияют в первую очередь одорифорные (название данное Zwaardemaker’om в 1895 г. и замененное впоследствии Rupe «осмофорные») группы, которые могут быть весьма разнообразны:

одорифорная альдегидная группа, бензоловое ядро с боковыми цепями, — одорифорная терпенная группа, бензоловое ядро с мостом — линейная одорифорная группа, т. е. под одорифорными группами Zwaardemaker объединяет и характерное строение основного скелета. Вторым фактором является число одорифорных групп, их расположение и относительная величина. Этим объясняется наличие различных запахов в гомологических рядах (напр., масляная и валериановая кислоты). Границы молекулярного веса пахучих соединений по мнению Zwaardemaker’a лежат между 17 (аммиак) и 300 (алкалоиды).

Зависимость между величиной молекулы и запахом оттеняет также Delange ¹²), приводя как пример запах альдегидов жирного ряда, которые до C₇H₁₄O имеют мало значения как душистые вещества, а с C₁₂H₂₄O совершенно не пахнут. Все приятно пахнущие альдегиды имеют молекулярный вес в пределах, указанных выше. Одновременно имеется связь между оптическими свойствами и запахом в том смысле, что оптически активные (обладающие способностью вращать плоскость поляризованного света) обычно обладают более ясным и сильным запахом, чем рацемические. Такой зависимости не приходится наблюдать между коэффициентом рефракции и запахом или между удельным весом и запахом. Обычно температура кипения душистых веществ лежит ниже 300°. Например, в ароматическом ряду бензилацетат, кипящий при 216°, имеет довольно сильный, а бензилбензоат, кипящий при 323°, почти совершенно лишен запаха. В числе химических факторов, обусловливающих запах, Delange считает наиболее важными: присутствие осмофорных групп, их характер и относительное положение, наличие двойных и тройных связей, присутствие определенных элементов и строение основного скелета молекулы В отличие от Zwaardemaker’a он признает существование гомологий запахов в соединениях одного и того же ряда. Наличие столь большого числа факторов, влияющих на запах, заставляет Delange прийти к заключению, что установить общую закономерность в этом вопросе, пользуясь имеющимся в настоящее время материалом, еще не представляется возможным.

Наибольшее влияние на запах по мнению Ruzicka ¹³) оказывает основной скелет соединения, осмофорные же группы играют второстепенную роль, смягчая или оттеняя запахи. Однако в этом направлении общую закономерность установить чрезвычайно трудно. Для подтверждения своих предположений Ruzicka приводит следующие факты. У симметрического тринитротолуола мускусный запах появляется только после введения новой алкильной группы. В ряду ионона для выявления запаха фиалки необходимо присутствие, по крайней мере, двух метильных групп, только введение третьей приводит к полному развитию этого запаха. Из непахучего фталида при переходе в изобутилфталид наблюдается появление запаха сельдерея. У близких по строению к предыдущим — ванилина и кумарина приходится констатировать отрицательное влияние введения алкильных групп, так как запах при этом уменьшается. Вообще сложность процесса обоняния и его малая изученность осложняют вопрос и не дают возможности точно установить зависимость между запахом и строением вещества.

В ряде работ Durrans ¹⁴), рассматривая существующие теории, приходит к своеобразному выводу, что запах обусловливается исключительно наличием свободных парциальных связей. Влияние летучести по его мнению не может быть принято без оговорок, так как среди пахучих веществ мы имеем высококипящие соединения, упругость паров коих при обычной температуре очень мала, напр., кумарин, мускон, санталол. Следующими наблюдениями автор подтверждает свои выводы, пытаясь установить закономерность влияния строения на характер и качество запаха. Ацетиленовая связь обычно ведет в алифатическом ряду к появлению запахов неприятных, но обратное наблюдается в ароматическом ряду. Это заключение, как показано будет дальше, при рассмотрении вопроса о влиянии чистоты соединения на запах, не совсем правильно, напр., для ацетилена. Третичный углерод обусловливает камфарный запах и в особенности ясно выступает последний, если третичный углерод находится рядом с гидроксильной группой. У ароматических спиртов это явление исчезает, проявляясь в полной мере у гидроароматических, в особенности если третичный углерод находится рядом или в пара-положении к гидроксилу. Многоатомные спирты обычно не имеют запаха, но наличие третичного углерода, связанного с гидроксилом, может обусловливать камфарный запах. Влияние третичного углерода не замечается у фенолов, лактонов и в ряду ацетофенона. Гидрогенизация бензолового ядра ведет к усилению запаха, причем максимум наблюдается при присоединении двух водородов, в нафталиновом ряду действие обратное. Гидрогенизация фенолов или замена в них гидроксильного водорода алкилом изменяют запах очень резко.

α-Нафтоловые эфиры непахучи в противоположность их гидрогенизированным производным.

В ряду алифатических спиртов интенсивность запаха возрастает по мере увеличения числа углеродов и достигает максимума при C₁₀. Совершенно аналогичное явление наблюдается у алифатических альдегидов. У алифатических кетонов максимальное выявление запаха падает на соединения с нормальной цепью при C₁₁. Двойные связи во всех случаях усиливают запах. Отсюда Durrans делает вывод, что при отсутствии свободных парциальных связей, когда одна часть молекулы насыщает “attract" другую, соединения получаются непахучие. Вещества, аналогичные по строению, имеют часто сходные запахи. Если парциальные связи насыщаются, запах исчезает или, во всяком случае, изменяется. Расположение парциальных связей также оказывает существенное влияние. Напр.: симметрический дифенилэтилен имеет сильный цветочный запах, a I-I-дифенилэтилен пахнет очень слабо. Элементы, имеющие парциальные связи, как кислород, азот, галоиды, дают осмофорные группы, при замене этих элементов в молекуле другими, не имеющими парциальных связей, запах исчезает. Таким образом, Durrans приходит к выводу, что душистое вещество характеризуется следующими тремя признаками: 1) наличием свободных парциальных связей, 2) растворимостью в воде и липоидах обонятельного органа и 3) летучестью.

Более подробно разбирает Martin-Calderin ¹⁵) зависимость между растворимостью и силой запаха и приходит к заключению, что растворимость в воде и липоидах характерна для силы запаха. Наибольшей силой обладает запах веществ, растворимых в обоих средах, меньшая сила соответствует нерастворимым в воде и растворимым в липоидах веществам. Растворимость в воде при нерастворимости в липоидах ведет к исчезновению запаха.

Ряд наблюдений о влиянии строения на запах приводят Prins ¹⁶) к выводу, что аналогия в строении обусловливает и аналогию запахов. Одновременно автор указывает на колоссальное значение малейших примесей в количествах, совершенно не поддающихся аналитическому открытию. Подобные примеси могут совершенно искажать запах и приводить к абсолютно неверным выводам. К этому же вопросу возвращается Wallach в цитированной выше работе, указывая, что неподдающиеся измерению количества примесей кардинально изменяют основной запах. Он допускает, что эти примеси ощущаются нашими обонятельными нервами с чувствительностью, подобной действию минимальных количеств металлов на некоторые водоросли, для которых достаточно пропустить воду через медный кран, чтобы вызвать их гибель. В применении душистых веществ приходится встречаться с этим обстоятельством довольно часто и, как пример, можно указать, что запах ванилина всегда отличается от запаха ванили или что запах жасмина только тогда соответствует натуральному, когда в смеси присутствует в минимальных количествах отвратительно пахнущий сам по себе индол. В обычной практике „запахочистые” соединения встречаются чрезвычайно редко. Еще сравнительно недавно считалось, что бензойная кислота обладает собственным запахом, но это совершенно неверно, так как запах ее в зависимости от способов получения обусловливался примесями. Очень трудно получить настолько чистые вещества, чтобы они могли характеризовать запах. Для некоторых классов это почти невозможно, как например: для углеводородов или ненасыщенных соединений. Так пинен и другие терпены настолько быстро изменяются на воздухе, что судить о собственном запахе их на основании препарата, простоявшего несколько дней, не представляется возможным.

Выясняя этот же вопрос, Heller ¹⁷) указывает, что многие обычно неприятно пахнущие соединения при должной очистке либо приобретают приятный запах, .либо становятся непахучими. Чистый ацетилен, чистый сероуглерод имеют приятный эфирный запах, ничего общего не имеющий с обычно приписываемым этим соединениям. Этилмер каптан и при нагревании с порошкообразной медью теряет свой неприятный запах, который переходит к меди, при этом сам меркаптан химически нисколько не изменяется.

Наконец, еще одно обстоятельство очень осложняет работу в данной области, это субъективность восприятия и характеристики запаха. Показательны в этом отношении опыты Fоrаn ¹⁸), произведенные им в Фармацевтическом Колледже в Филадельфии. Он предлагал 20 студентам определять запах 15 жидких веществ. Скипидар правильно определили 17 человек, креозот — 10, метилсалициловый эфир — 18. Ошибки были очень разнообразны, креозот, например, смешивали с гвоздичным маслом и крезолом, бензальдегид с лимонным маслом в 8 случаях), не говоря уже о нитробензоле, который часто принимался за бензальдегид.

Не разрешает в этом случае вопроса и метод сравнения, так как процесс обоняния, как сказано выше, чрезвычайно сложен и последовательное вдыхание душистых веществ приводит к утомлению обоняния и даже искажению запахов. Об опытах в этом направлении сообщает F.В. Hoftmann ¹⁹). Ему удалось установить, что явления утомления ведут к неправильным представлениям о запахе. После камфары запах гваякола и креозола приобретали приятный оттенок, напоминающий ванилин. Продолжительное нюханье нитробензола приводило к прекращению восприятия запаха этого вещества. Запах концентрированного ионона приводил к нечувствительности к запаху фиалки, резеды и туберозы.

Субъективностью восприятия запаха и недостатком правильной классификации объясняет Heller ²⁰) отсутствие указаний на запах при описании большинства соединений, что ведет к необходимости при исследовании в этой области повторять огромное число работ. Только для соединений, поражающих своим запахом, имеются соответствующие указания. Многие соединения, имеющие теперь промышленное значение как душистые вещества долгое время считались не имеющими интереса в этом отношении. Например, фенилэтилалкоголь известный с 1880 г., приобрел значение как душистое вещество только после того, как его присутствие было доказано в розовом масле, одну из важнейших составных частей которого он представляет.

Таким образом, вопрос о связи между строением вещества и его запахом приходится считать еще далеко не разрешенным. Имеющийся материал говорит за то, что таковая связь определенно существует, но формулировка ее крайне затруднительна. Во всяком случае, эта зависимость более сложна, чем в красках и, если пытаться установить классификацию запахов исходя из химического строения, приходится наталкиваться на почти непреодолимые затруднения. При работе с душистыми веществами необходимо учитывать и летучесть, и чистоту вещества, и даже субъективность восприятия. Поэтому попытки создать систему распределения душистых веществ по группам, исходя из классификации запахов, и затем искать закономерности в химическом строении этих веществ, как это пытались сделать, приводят к необходимости больших натяжек и не разрешают вопроса. Единственный выход приблизиться к его разрешению — накопление экспериментального материала в возможно большем количестве.