Реферат: Природные душистые вещества и современная химия
Живая природа предоставила человеку не только невообразимо богатую палитру красок и гамму звуков: она подарила ему ещё и бесконечно многообразный мир запахов. Поэтому есть все основания полагать, что человек ещё в незапямятные времена начал использовать природные душистые вещества для своих нужд.
Искусство парфюмерии не могло бы обладать столь древней историей, если бы оно не удовлетворяло тех или иных нужд насущных потребностей человека. Душистые вещества играют огромную роль в обрядах многих религий; они дают известную возможность украсить 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 с того, как был открыт один из основных способов выделения и отчистки летучих веществ - перегонка. Этот процесс был открыт в странах востока - Египте, Персии, Индии, Китае; а затем, в античные времена, перенесён в Европу - об этом сведетельстуют 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 в современной порфюмерией. Однако подход к промышленному получению этих веществ за последнии сто лет изменился коренным образом.
Это произошло благодаря фантастическим успехам органической химии. Начиная примерно с 1870 года (и особенно за минувшие 50 лет), всё 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 структыры 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 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 имперический, характер. К счастью парфюмери с восхищением поняли 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 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 микроциклических соединений (молекулы которых содержат кольца, построеные 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 професору 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 характерезуются всё 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 приёмамипозволяют выделять и идентифицировать многочисленные компоненты природных душистых смесей с такой тщательностью, что уже появляется возможность совершенно точно воспроизводить их химическим путём. (Мы говорим именно "точно воспроизводить": это означает, что полученные синтетические душистые смеси по своему составу и свойствам совершенно эквивалентны исходящим 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 всё же это давольно редкие примеры, так как лишь небольшое число лабораторий обладает обладает техническими средствами и научным уровнем, неоходимым для выполнения работ такого масштаба. Впрочем, нет никаких сомнений, что будущее принесёт нам новые достижения в этой области, которые, может быть, 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 её сложнейших проявлений, воспроизводя из углерода, водорода, кислорода и азота наиболее утончённые ароматы. Для того, чтобы в полной мере подчеркнуть значимость достигнутого, заметим, что идея замены душистых веществ их химическими эквивалентами долго казалась химерической даже многим лучшим специалистам в этой области. Вот, например, одно из высказываний такого рода: "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 обоснованым: в то время ещё почти не существовало всех тех могучих методов исследования вещества, которыми распологает 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 работы?
Первый этап должен заключаться в разумном выборе объекта исследования: чем более ценным он будет, тем "а priоri" 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 позаботился о том, что бы удалить из душистого вещества основную часть парафинов, жиров и растительных восков, не обладающих запахом; надёжная техника обезжиривания заключается в обработке эссенции холодным спиртом. Затем обезжиренную эссенцию исследователь подвергает 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 определяется химическим составом анализуемой смеси, и, следовательно, здесь трудно обобщать. Тем не менее можно с основанием предположить, что химик попробует разделять индивидуальные компоненты четырёх 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, углём, 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 анализуемая смесь проходит через разделительную трубку в виде пара; при этом чаще всего требуется нагревание, иногда вплоть до температур порядка 350 градусов. 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 несолько 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 ведёт 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 предыдущим, 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 возникает новая проблема: ему понадобится идентифицировать или даже установить строение каждого из 10, 15, 100, а может быть и 200 веществ, которые он сумеет выделить чаще всего в количестве нескольких миллиграммов.
Учёный сумеет очень элегантно разрешить эту проблему, если обратиться 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 определённой энергией. Электроны дробят молекулы на многочисленные ионы с характерными массами, которые регистрируются на специальном графике, называемым масс - спектром. Такие осколки, подобны кускам мозаики, из которых часто удаётся 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 составе, которого нужно для этой цели всего лишь несколько миллиграммов. Этот метод основан на очень тяжёлом измерении изменений магнитного поля вокруг каждого атома водорода.
Наконец, для завершения своих структурных исследований химик сможет обратиться к некоторым старым методам, таким как инфрокрасная и ультрафиолетовая спектроскопии. Все эти методы, применённые вместе или порознь, позволят ему приписать правильную химическую формулу каждому из компонентов природного душистого вещества. После этого останется только получить эти вещества - сначала а 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 изученого 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 своё эмпирическое искусство, - без него синтетическое душистое вещество не будет обладать всеми качествами своего природного аналога.
И, наконец, он получил духи, пользующиеся большим спросом, очень трудно имитируемые, продажа которых с лихвой окупит те немалые затраты, которые потрбовались 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 техники и науки, и использования объединённых 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 ещё до смешного примитивны и неэффективны по сравнению с теми, которыми природа вооружила каждую растительную клетку.