В следующем разделе мы с вами рассмотрим несколько простейших молекул одорантов и попробуем выявить физические и химические характеристики, коррелирующие со свойствами запаха. Проще говоря, мы сосредоточим наше внимание на том, какую роль играют стереохимические параметры молекулы, такие как размер и форма. Наши эксперименты будут основаны на знакомых запахах, встречающихся в повседневной жизни.
Запахи и молекулярная структура
Когда химик хочет описать то или иное вещество, он прежде всего смотрит на его макроскопические свойства, которые легко поддаются наблюдению и измерению. Начнем с того, что вещество может находиться в твердой, жидкой или газообразной форме. Оно может иметь цвет – или не иметь его. Оно может по-разному проявлять себя в химических реакциях в зависимости от температуры и множества других параметров. Все эти свойства напрямую связаны с его химической структурой. Нередко по одному этому признаку можно правильно определить многие отличительные черты вещества, например его физическое состояние, растворимость и цвет.
Так можем ли мы предсказать его запах? Теоретически могли бы, если бы знали, какие молекулярные характеристики соответствуют реакциям нашего носа на разные химические соединения. Но способны ли мы определить запах вещества только на основе его физического облика, реактивности или оптических свойств? Нет, ни в малейшей степени. Пытаясь дать определение запаха, мы все равно не сможем избежать отсылок к обонятельной системе. Запахом сможет считаться только набор таких характеристик, которые обрабатываются носом, и не чьим-нибудь, а нашим собственным. Это утверждение может показаться довольно банальным, но мы и в самом деле не в состоянии дать запаху определение, не зависящее напрямую от инструмента, которым мы пользуемся для его оценки, – нашего носа. Следовательно, если мы хотим изучить структурные элементы молекулы в связи с ее запахом, нам ничего не остается, как обратиться с запросом к собственной обонятельной системе.
С другой стороны, совершенно очевидно, что одну и ту же молекулу человек и насекомое воспримут по-разному. Известно, что многие феромоны насекомых обладают очень сильным запахом – но именно для того вида, который их производит; чтобы вызвать у соответствующего насекомого реакцию, достаточно лишь нескольких молекул. Однако для человека те же самые соединения могут вообще ничем не пахнуть. Впрочем, мы уже убедились, что и между отдельными особями нашего вида может быть физиологическая разница, пусть даже совсем незначительная, из-за которой одни и те же химические вещества будут пахнуть по-разному для меня и для вас.
Архитектура молекул
Для тех, кто не знаком с понятийным аппаратом химии и не привык мыслить на молекулярном уровне, мы сейчас попробуем обозначить некоторые базовые принципы. Они помогут вам лучше представить форму и свойства молекул.
Давайте для простоты рассматривать химические структуры как конструктор из шариков и палочек, который вы, возможно, помните еще по школьным урокам химии. Шарики – это атомы, а палочки – химические связи, которые соединяют атомы в молекулы. Такими моделями химики пользовались вплоть до самого недавнего времени – не только чтобы успешно преподавать свою науку студентам, но и чтобы самим лучше представлять форму сложных молекул. Сейчас вместо физических палочек и шариков используют компьютерные модели: их можно с легкостью передвигать по экрану, поворачивать, видоизменять и сравнивать между собой.
Органические соединения, к которым относится большинство молекул, составляющих живой организм, основываются на несущих конструкциях из атомов углерода, связанных друг с другом в ту или иную трехмерную структуру. Среди девяноста двух природных химических элементов, встречающихся на Земле, только углерод способен создавать стабильные связи между собственными атомами и благодаря этому сооружать комплексные структуры: линейные или разветвленные цепочки, кольца и даже трехмерные фигуры. Их можно рассматривать как скелеты, на которых затем строятся более сложные молекулы.
Бывает, что в скелет включаются также атомы кислорода, азота, реже серы и других элементов. К этому каркасу, который нам пока еще удобно представлять в виде шариков и палочек, нужно добавить еще атомы водорода в количестве, достаточном, чтобы насытить валентности углерода. Чтобы построить модель, соответствующую реальной молекуле, необходимо насытить валентности всех атомов, то есть установить все возможные связи между ними. Для этого нужно только запомнить, что атом углерода образует четыре связи (выражаясь более научно, валентность углерода – 4), азот – три, кислород – две, а водород – только одну.
Еще один важный фактор – размер молекулы, как в плане занимаемого ею места, так и в плане массы. Часто молекулярная масса молекулы принимается за показатель размера: этот параметр легко вычислить, сложив атомные массы отдельных атомов. Чтобы еще упростить себе задачу, мы пользуемся относительными измерениями, принимая атомную массу водорода, самого маленького атома, за единицу и отсчитывая массы других атомов от нее. Масса атома углерода эквивалентна массе 12 атомов водорода; азота – 14; кислорода – 16. Соответственно, мы говорим, что атомная масса углерода – 12 и т. д. Выходит, что вклад самих атомов водорода в общий размер молекулы сравнительно невелик, и поэтому химики иногда упрощают модель и вовсе игнорируют их присутствие.
Связи между атомами (и черточки между их химическими символами) образуют топологию молекулы и позволяют построить ее трехмерную модель. Записывая структуру какой-нибудь сложной молекулы, мы нередко опускаем символы углерода и водорода и даже сами связи между их атомами. Это емкое, синтетическое обозначение показывает фактически только скелет молекулы, но все равно содержит всю информацию, необходимую для построения полной модели. На рисунке 2 показаны структуры трех разных молекул: открытая цепочка, кольцевая и ароматическая. Каждая представлена тремя разными способами, от синтетической структурной нотации до пространственной модели, довольно точно отображающей реальную форму и размер молекулы.
Первая структура – это 1-деканол, дециловый спирт. Его молекула выглядит как длинная цепочка из атомов углерода со спиртовой группой на одном конце. В виде модели она похожа на гусеницу и, подобно гусенице, очень гибка, способна принимать самую разную форму – и прямую, и свернутую, и волнообразную. Вторая – циклогексанол. Здесь спиртовая группа прикреплена к циклической структуре из шести атомов углерода. Такая молекула тоже довольно гибка и обычно имеет форму стульчика. Третий пример – ароматическая молекула, фенол. Ее кольцо плоское и жесткое, что объясняется свойствами некоторых электронов, связывающих атомы углерода друг с другом. Каждый из углеродных атомов кольца использует один электрон, чтобы присоединиться к следующему атому углерода, а другой при этом включается во что-то вроде заряженного облака, равномерно охватывающего всю структуру. У всех соединений, которые мы называем ароматическими, плоская форма и особые химические свойства.
Рисунок 2. Разные способы отображения молекулярной структуры. Вверху: сокращенная структура. Каждый угол соответствует атому углерода; атомы водорода не показаны; представлены только связи между основными атомами. В середине: модель из шариков и палочек. Все атомы водорода показаны. Внизу: трехмерная модель, довольно реалистично передающая размер и форму молекулы.
