е обеспечено.
Искусство синтетической органической химии своеобразно: те, кто этим занимается, напоминают охотников, которым нужно понять логику поведения своей добычи.
Знакомясь с миллионами ситуаций, т. е. с отдельными химическими реакциями, они приобретают интуитивное понимание поведения молекул. Существует много строгих правил, но в принципе химия непредсказуема. Помнится, однажды мне попалась книга под названием «Удивительные химические реакции». Там на нескольких сотнях страниц просто показывались реагенты и продукты для реакций, которые приводят к неожиданным результатам. Самое примечательное в ней было отсутствие текста, за исключением ссылок на оригинальные научные публикации. Для фанатов этого дела ничего другого и не требуется.
Изящество научной синтетической химии заключается в создании сложных молекул с нуля. Изящество промышленной химии – в создании молекул дешево и эффективно, с минимумом ступеней реакции.
Дело в том, что реагенты, которые вы используете для получения нужного вещества, никогда не дают 100 % «выход». Большинство реакций дают около 70 % полезного продукта. Остальные 30 % могут быть чем угодно – не вступившими в реакцию фрагментами, нежелательными продуктами, любыми отходами, которые стоят денег. Если вам нужно десять ступеней реакции, на выходе вы можете получить лишь несколько процентов полезного продукта. Он, разумеется, получится весьма дорогим, и нужно, прежде чем открывать производство, быть заранее уверенным, что люди захотят покупать этот продукт. По шкале сложности химических реакций от единицы до десяти – где 1 означает «легко», а 10 – «кошмар», производство кумарина оценивается в 2 балла. Производство некоторых из недавно полученных молекул сандалового дерева, типа причудливой и потрясающей Javanol® компании Givaudan, с ее двумя трехчленными кольцами и невероятно богатым ароматом, оценивается в 8 баллов и очень дорого. К счастью, Javanol® обладает прекрасным и очень ярким запахом, поэтому его можно продавать за большие деньги.
Проблема терминологии
Несколько лет назад меня пригласили в Кембридж прочитать лекцию для математиков. Беседовать с математиками всегда удовольствие, а поскольку у них много свободного времени (нельзя же весь день думать о математике), они, как правило, проявляют острый интерес к другим областям науки и обладают здоровой бдительностью людей, проводящих всю жизнь под ярким солнцем истины. Это полезно и потому, что, если не интересоваться постоянно, вы понятия не будете иметь, что происходит в мире математики. Стоит отключиться на пару лет – и вернувшись, вы с удивлением обнаружите, что некоторые вопросы, которые казались нерешаемыми, уже давно решены. Более того, о них можно получить полное представление, загрузив соответствующую программу из интернета (разумеется, бесплатно): вейвлет-преобразование, нейронная сеть, алгоритм фрактального сжатия, нелинейные волны – всё по вашим запросам.
Меня пригласил Дэвид Маккей из Кавендишской лаборатории. Мы беседовали о запахах и молекулах запаха. Я рассказал ему, что в разговорах с химиками у меня возникал вопрос, что получается, когда возникают «молекулярные опечатки».
Предположим, что запах «записан» в молекуле определенной нотацией. Что получится, если, изменяя какую-то часть молекулы, сделаешь «опечатку» в оригинальном слове? В лексике, разумеется, могут получиться другие слова, сходные или совсем с другим значением, например, «тень», «сень» или «пень». Но количество слов не бесконечно. А как с запахами? Одному известному химику запахов по имени Чарльз Селл из компании Quest International я задал конкретный вопрос: когда вы создаете несколько дюжин молекул в поисках, скажем, мускуса, что вы получаете, когда вы не получаете мускус (это бывает весьма часто). Он ответил без колебаний: «дерево или амбру».
Ответ заставил меня задуматься. Он предполагает, что дерево и амбра каким-то образом «близки» мускусу. Поскольку роза или кокос не получаются никогда, это означает, что они от него далеки. Но когда создаешь молекулы розы, иногда получаются молекулы дерева, иногда – лимона. А это означает, что дерево связано с розой и мускусом, но у розы и мускуса нет общей границы. Играть с молекулярными опечатками – все равно что тыкать вслепую в географическую карту, зная лишь приблизительное направление. Говоря языком артиллеристов, когда целишься в конкретный запах, вероятное отклонение допускает, что ты попадешь в соседний район, но не в соседнюю страну. Я пересказал это Маккею, и он, в типичной для математика манере, заметил: «Ты можешь сопоставить это с самоорганизующейся картой Кохонена». Затем терпеливо объяснил, как это работает. Предположим, у вас есть тысяча молекул, каждая из которых обладает запахом, который можно описать, допустим, четырьмя словами с убывающей степенью соответствия: например, древесный, розовый, мыльный, сладкий. Алгоритм Кохонена подскажет, какие комбинации слов чаще всего встречаются рядом[16], выстроит их соответственно, чтобы сгладить все морщинки, и развернет соответствующую карту, которая, в принципе, и окажется картой запахов.
Для этого вам понадобится много дескрипторов, а для этого надо проникнуть в одну или несколько баз данных крупных производителей, у которых за многие годы накопились сотни тысяч молекулярных «опечаток» (наряду с бесспорно прекрасными словами). Эти базы данных ревностно охраняются, поскольку в них содержится информация, являющаяся собственностью фирмы. Наиболее ревностно охраняется молекулярная структура, имеющая отношение к конкретному запаху. Но не все потеряно: в карте запахов интересно то, что молекулярную структуру знать совсем не обязательно, если работать исключительно на уровне самих запахов. Нас с Дэвидом весьма увлекла эта перспектива, и я пообещал кое-что выяснить, а именно связаться с несколькими крупными фирмами и попросить у них отредактированную версию баз данных, в которой не будет структур, а только описания. В какой-то момент это показалось реальным и меня даже приглашали в несколько таких компаний, но разговоры закончились ничем. К сожалению, в то время (конец 1997 г.) мои отношения с крупными производителями оставляли желать лучшего[17], и доступа к базам я не получил. К сожалению, помимо этих баз данных, вся информация чрезвычайно разбросана, требуются огромные усилия, чтобы собрать ее и ввести в компьютер, и я временно отказался от этой мысли.
Ландшафт запахов
Пока мы не увидим реальную карту запахов Кохонена, остается лишь догадываться, как выглядит ландшафт запахов, поэтому я приглашаю читателя совершить воображаемое путешествие, не опасаясь опровержений. По ходу дела станет ясно, что подобие структур не означает подобия запахов, и что тайна шифра запахов остается нераскрытой.
Ваниль
Начнем с тропических Ванильных островов[18]. Ваниль – первый и до сих пор величайший успех в истории химии синтетических ароматизаторов. Без нее не существовало бы ароматов Guerlain, шоколад был бы терпким, коктейль «Сатурн» любили бы только монахи с Юкатана, а мороженое навсегда бы осталось в разряде шербетов. Ванилин, молекулу «знакового действия», содержащуюся в стручках ванильной орхидеи, впервые создали в 1874 г. Фердинанд Тиман и Вильгельм Хаарман. За несколько лет до этого в лесах центральной Германии Хаарман и Реймер создали фирму для экстрагирования ванилина из древесины. Она до сих пор находится в местечке под названием Хольцминден (Holz по-немецки – «лес»). Вскоре химики компании H&R придумали метод, который в принципе исключал использование древесины. Процесс синтеза начинается с гваякола (левый член диаграммы). Затем они добавили альдегидную группу с помощью реакции, которая с тех пор носит их имя.
В 1876 г. они получили патент на изобретение и опубликовали формулу (с тех пор это происходит именно в таком порядке, поскольку публикация лишает вас шансов на получение патента). На этом они хорошо заработали. В молекулярном смысле ванильная территория – крошечная. Каждая их ныне известных молекул ванили очень близка к ванилину. Ванилин очень сильный, но изованилин, в котором группы на четыре часа и на шесть часов поменяны местами, имеет очень слабый (хотя и ванильный) запах.
От ванили можно двинуться в нескольких направлениях. Если добавить дополнительный углерод к группе на четыре часа, получается этилванилин, у которого запах более сильный, утонченный и искристый, но остающийся на ванильной территории.
Сделайте шаг назад, уберите альдегид и понюхайте гваякол, и вы наверняка будет удивлены разницей, какую дают три ничтожно маленьких атома (НС=О): гваякол дымный, как множество других молекул с группой ОН, прикрепленной к бензольному кольцу. На самом деле запах гваякола немного напоминает фенол, см. выше, молекулу, которую впервые использовал Джозеф Листер в 1865 г., чтобы убивать бактерии во время операций. Обонятельные привычки сохраняются очень долго: мы совсем недавно вышли из Фенольного века со знакомыми Jeyes Fluid (жидкостью Джейса) и Wright’s Coal Tar Soap (дегтярным мылом Райта) как основными продуктами спартанской антисептики в общественных местах и школах[19]. Подсознательный страх бактерий, из-за которого фенол Листера стал таким популярным, сохранялся более столетия. Сейчас антисептики все чаще пахнут лимонной свежестью, нежели грубым дегтем. Одно исключение – поразительное (и по моему опыту – совершенно бесполезное) французское снадобье от кашля под названием Pulmosérum, которое содержит гваякол и по вкусу и внешнему виду напоминает о конце XIX века. Аналогичное гигиеническое путешествие в прошлое обеспечивают дегтярные композиции в красках для изгородей.
Экстракт натуральной ванили содержит много фенольных нот и пахнет немного похоже на свежий ковер из экзотических волокон или дымные, мокрые чайные листья.