Начнем с того, что у нас два языка. Первый – это язык условных обозначений для повседневного использования, в котором структуры и материалы имеют прозвища – или, как мы выражаемся, тривиальные названия – такие как эвгенол или его химический близнец изоэвгенол (компонент одной из самых редких восточных специй – мускатного ореха). У этих кратких и удобных наименований есть значительный недостаток: они никак не связаны с внешним видом молекулы и с формулой вещества, и их остается лишь выучить наизусть. Вместо этого мы можем назвать два этих вещества «2-метокси-4-(проп-2-енил)фенол» и «транс-2-метокси-4-(проп-1-ен-1)фенол», и большинство химиков сразу поймут, о каких молекулах идет речь. На письме это выглядит прекрасно, пусть и несколько громоздко, но, конечно же, произнести это совершенно невозможно, особенно если в названии нужны скобки. Вот почему мы любим рисовать, и в процессе создания картинки рисование становится и способом мыслить. На рисунке 12 показаны изображения эвгенола и изоэвгенола.
Когда я учился на инженерном факультете, у нас были уроки черчения, на которых мы делали детальные чертежи реакторов с профилями в разрезе и всем прочим, осваивая таким образом весьма эффективный и очень стильный с эстетической точки зрения язык общения. Формально у нас не было занятий по изображению химических формул, но нам всегда давали понять, что небрежная картинка – это признак небрежного мышления.
Рисунок 12. Разные способы передачи информации о молекулах главного «пряного» ингредиента гвоздики (слева) и одного из основных компонентов мускатного ореха (справа) при помощи названий и схем. Оба имеют формулу С10Н12О2.
Поэтому все углы шестиугольников на рисунке 12 должны составлять точно 120°, вторая линия, изображающая двойную связь, должна помещаться внутри цикла, а не снаружи, и самое важное: атомы углерода находятся во всех углах и точках соединений, но никогда и ни за что нельзя писать символ «С», и никогда нельзя рисовать атомы водорода, соединенные с углеродом.
В мускатном орехе содержится мягкое психотропное вещество, родственное эвгенолам, – миристицин, два изображения формулы которого вы видите на рисунке 13. Надеюсь, вы согласитесь со мной в том, что формула справа по-настоящему уродлива, хотя она и несет в себе больше информации для непосвященного человека.
Приятной специей мускатный орех делает не только миристицин; на самом деле его содержание настолько низкое, что в том небольшом количестве мускатного ореха, которое мы обычно добавляем в пищу (например, он хорошо сочетается с картофелем и шпинатом), он не оказывает совершенно никакого галлюциногенного эффекта, а большее количество просто сделает блюдо несъедобным[72]. Нет, популярным в кулинарии ингредиентом мускатный орех стал благодаря сложной смеси нескольких молекул.
Рисунок 13. Разные способы изображения формулы миристицина С12Н12О3. Красивый способ (слева) и один из многих безобразных способов (справа).
Если миристицин можно считать кузеном эвгенола и изоэвгенола, то молекулы двух последних, безусловно, должны быть братьями или сестрами с одинаковой формулой С10Н12О2. Химики называют таких молекулярных братьев изомерами.
В химии есть много видов изомеров, и эвгенол с изоэвгенолом принадлежат к самому базовому типу. Они отличаются по своим химическим связям, как видно из разного положения двух параллельных черточек (двойных связей) в «хвосте» этих молекул в правой их части на рисунке 12. Совсем как неполнородные братья и сестры, такие изомеры могут походить друг на друга не только химической формулой, но в этом случае они действительно весьма близки и очень напоминают друг друга.
Какой была бы химическая параллель с настоящими близнецами? Это молекулы с одинаковой формулой и эквивалентными связями, но при этом их пространственные формы отличаются.
Изоэвгенол – как раз такая молекула с полным названием транс-2-метокси-4-(проп-1-ен-1)фенол, и у него есть родной брат (или, если угодно, сестра), который называется цис-2-метокси-4-(проп-1-ен-1)фенол. В менее формальной версии они известны нам как цис- и транс-изомеры; у транс-изомеров одинарные связи находятся с противоположных сторон от двойной связи, а у цис-изомеров они находятся с одной стороны, как видно по жирной линии вверху слева на рисунке 14.
Рисунок 14. Слева: молекулярные сиблинги изоэвгенолы. Справа: два изображения одной и той же молекулы эвгенола. Связи, изображенные жирной линией, подчеркивают разницу между цис- и транс-изомерами.
Показанные здесь транс- и цис-изомеры точно такие же, как и те, что содержатся в широко обсуждаемых транс-жирах – тех, что порой можно обнаружить в печенье и других продуктах промышленного производства и которые не особенно полезны для здоровья из-за содержащихся в них частично гидрогенизированных жиров. Не стоит думать, что ярлык «транс-» становится «меткой Пожирателя Смерти» для любой молекулы искусственного происхождения. Многие природные вещества содержат транс-изомеры – на ум приходит, к примеру, важный витамин А, а в коровьем молоке содержится некоторое количество природных транс-жиров.
Как вы уже поняли, в этих схемах содержится большое количество информации, незаметной, пока у вас нет ключа, – совсем как на средневековых картинах, которые радуют взгляд, но истинное значение которых теряется без знания лежащего в их основе символизма. Линии, изображающие химические связи, выглядят цельными и жесткими, словно спицы, но на самом деле молекулы гибки, а их атомы никогда не остаются неподвижными; они испытывают колебания и вращаются, так что нужно мысленно заменить спицы на пружины разной степени жесткости. Возьмем двойные связи: будучи двойными, они более прочны, и можно было бы подумать, что их достаточно нарисовать толще и короче, но тут есть самый настоящий механический символизм. Если два шара соединены спицей, каждый шар можно вращать независимо от другого, но, если они соединены двумя спицами, это невозможно.
Однако атомы соединяются при помощи электронов, а не спиц, и то, почему эта аналогия из области механики работает, не очевидно (да и не должно быть очевидным). Но она все же работает, и на том мы и остановимся, иначе всю оставшуюся часть книги нам пришлось бы посвятить квантовой химии – это крайне увлекательная ее часть, но она не для слабонервных. Позвольте мне упомянуть лишь один, самый важный вывод квантовой химии: электроны не вращаются вокруг атомов, словно планеты вокруг Солнца. Некоторые из них совершают нечто подобное, но другие движутся[73] в совершенно особых, часто взаимоисключающих направлениях, и именно это приводит к жесткости двойных связей и пресекает вращение. Это причина того, почему изоэвгенол существует в виде двух встречающихся в природе изомеров, а эвгенол – только в виде одного.
Все это было неизвестно двум Ост-Индским компаниям, Голландской и Английской, которые с жаром – и часто с применением чрезмерного насилия – боролись за контроль над торговлей специями в Европе. Будь эта химия известна в то время, можно было бы собрать веские доводы, которые помогли бы избежать борьбы за острова Банда – единственное место, где было найдено мускатное дерево.
Гвоздичное дерево легко вырастить почти в любом тропическом регионе, а если взять сушеную гвоздику и извлечь из нее масло, то в результате простой реакции с использованием едкого кали (КОН) эвгенол можно превратить в изоэвгенол – и вуаля, вы сделали из основного ингредиента гвоздики одну из характерных молекул мускатного ореха, и вам больше не требуется мускатное дерево, которое так трудно вырастить! Но все не так просто. Как и в случае со многими вкусными продуктами, аромат мускатного ореха рождается из сложной смеси разных составляющих[74]; гвоздика скорее исключение, поскольку производимый ею эффект основывается почти исключительно на одной молекуле.
Так что простая химия не спасла бы жизнь в этой ситуации. Жестокая борьба за острова Банда, особенно за один из самых маленьких – Рун, – вместо этого закончилась Бредским соглашением 1667 года, заключенным после англо-голландской войны. Маленькой деталью в этих переговорах было то, что Рун – единственный «английский» остров архипелага, взятый голландцами после четырехлетней осады, – должен был остаться у голландцев, а взамен англичане сохраняли за собой остров Манхэттен на реке Гудзон, который они оккупировали незадолго до того[75].
В краткосрочной перспективе это было очень выгодно голландцам, у которых теперь оказалась мировая монополия на мускатный орех. Однако этой монополии постоянно угрожало то, что в наши дни называют биопиратством. Разумеется, голландцы бессовестно получали прибыль с того, что по праву являлось ресурсами, принадлежавшими жителям островов Банда, но 15 000 островитян могли бы сейчас вести приятную жизнь на годовую прибыль 80 миллионов долларов США, которую приносит экспорт мускатного ореха, если бы в 1817 году британцы не умудрились посадить мускатные деревья в других тропических регионах[76].
Сегодня, когда действует Конвенция ООН о биологическом разнообразии, подобное перемещение биологического материала стало бы грубым нарушением соглашения, подписанного в 1992 году правительствами 150 стран на Саммите Земли в Рио-де-Жанейро[77]. Одна из главных задач – защита биологических ресурсов и знаний о них, особенно в бедных странах, от эксплуатации в интересах других государств.
Другая причина защищать биологическое разнообразие планеты заключается в том, что это один из важнейших для нас молекулярных ресурсов. Можно считать, что химическая промышленность могла бы легко состряпать технологию изготовления любой прибыльной молекулы, но это не всегда так. Синтезировать «с нуля» молекулы, такие как эвгенол, изоэвгенол и миристицин, не всегда целесообразно, и поэтому часто используются их природные источники. Это станет особенно актуально, когда закончится нефть – чудесный источник начальных реагентов.