Всегда ли природное лучше синтетики?

Леенсон И.А.
(«ХиЖ», 2019, №3)

pic_2019_03_16.jpg

Фото: Flickr com Rebecca Siegel

В одной из первых статей этой серии говорилось о том, что слово «химический» стало ругательством, что раздаются призывы — вернуться к производству «зеленой» сельскохозяйственной продукции, без применения синтетических удобрений и ядохимикатов. Однако без них человек уже давно обойтись не может. Но всегда ли синтетический продукт хуже (или лучше) натурального? Даже если и по составу, и по свойствам «природное» и «химическое» не различаются, нужно иметь в виду также стоимость того и другого. Не говоря уже о том, что большинство природных продуктов, используемых в косметических или пищевых целях, синтезировать просто невозможно. Например, что в состав розового масла входит более 200 компонентов, а в состав аромата кофе — более тысячи. Так что в каждом конкретном случае преимущество может получить как вещество, выделенное из природного источника (чаще всего — растения), так и полученное синтетически. И в силе остается цитата из статьи «Крымская роза», опубликованной в «Химии и жизни» почти полвека назад (1972, 9):

«Ну а что же современная химия, синтетические продукты — не конкурируют ли они с природными эфирными маслами, не вытеснят ли их вовсе? Да, конкурируют, но в обозримом будущем вряд ли вытеснят. Разумеется, многие компоненты эфирных масел уже синтезированы. Например, ментол. А фармацевты и парфюмеры тем временем требуют натуральный ментол. В нем есть примесь — ментон; когда ее много, ментол плох. Но когда ее нет вовсе, он тоже плох. Синтетический ментол слишком правильный...

Конечно, есть иные примеры, говорящие в пользу синтетической химии. Достаточно вспомнить о таких синтетических продуктах, как ванилин или искусственный мускус. И в парфюмерии, и в пищевой промышленности вещества, полученные тонкими химическими методами, используются все чаще. Но все же приходится думать и об экономике. Ведь эфирное масло — сложнейшая смесь веществ. Каждое из них можно синтезировать и в конце концов воссоздать смесь. Так получены, в частности, масла жасмина и акации. Однако это путь длительный и сложный. А растение дает нам масло в готовом виде.

Так надо ли во всех случаях вступать в соревнование с природой? Не лучше ли разумно пользоваться ее благами?»

Рассмотрим два примера из упомянутых — ванилин и ментол. В чистом виде ванилин — бесцветное кристаллическое вещество со знакомым многим специфическим запахом. Его применяют в пищевой и парфюмерной промышленности, а согласно Книге рекордов Гиннеса, ванилину нет равных по чувствительности человека к его запаху: присутствие паров ванилина в воздухе человек может обнаружить в наименьшей из всех веществ концентрации: 2.10–11 г/л! Всего тысячной доли грамма ванилина достаточно, чтобы в любой точке огромного концертного зала можно было уловить его запах.

Ванилин был известен американским аборигенам задолго до открытия Америки; ацтеки издавна использовали это вещество, чтобы подсластить горький шоколад. Они получали его из ванили — высушенных стручков тропического растения ваниль плосколистная (Vanilla planifolia). Его родина — Центральная Америка. Растение прихотливое и капризное, его трудно культивировать. Ему нужен влажный тропический климат на высоте порядка 1,5 км, с хорошей почвой, богатой органическими веществами. Опыляется ваниль только одним видом насекомых, поэтому в других местах выращивания, например на Мадагаскаре, ваниль опыляют вручную. Но и это не все: получить из ванили ванилин непросто. Сначала стручки ванили заливают кипятком, потом выдерживают в течение недели при температуре 60°С. За это время происходит естественная ферментация, при которой гидролитические ферменты расщепляют содержащийся в стручках глюкозид глюкованилин, молекулы которого состоят из остатков глюкозы и ванилина. Наконец, после длительного, в течение нескольких месяцев, высушивания стручки чернеют, скручиваются, и на их поверхности проступают мелкие игольчатые кристаллики ванилина, содержание которого достигает 2% по массе. Такой стручок в форме трехгранной морщинистой палочки темно-­коричневого цвета длиной около 20 см весит около 3 г и продается в магазинах «Индийские специи» по цене 1 доллар за грамм. Но в Интернете можно купить дешевле: упаковка ванильных палочек массой 50 г стоит 2000 рублей. Сложность получения в прошлом ванилина привела к тому, что длительное время ванилин был одной из самых дорогих пряностей и продавцы запирали его на ночь в сейфы, как золотые слитки! Сейчас же всего двадцать граммов синтетического ванилина заменяют килограмм ванильных палочек. Кстати, не следует путать ванилин и ваниль, и если в рецептах пишут «добавьте на стакан сахара чайную ложку ванили», — это бессмыслица.

pic_2019_03_17-1.jpg

Ванилин

С химической точки зрения ванилин — довольно простое вещество, производное бензальдегида, его систематическое название 4­гидрокси­3­метоксибензальдегид. У него есть почти не пахнущий изомер, отличающийся расположением метоксильной и гидроксильной групп.

Впервые ванилин идентифицировал как индивидуальное вещество в 1831 году американский фармацевт Бли, однако его строение установить тогда было невозможно, да и вещество оказалось с примесями, поэтому ванилин путали с другими веществами — бензойной и коричной кислотами, кумарином. В чистом виде ванилин получил в 1858 году французский химик Николя Гобли; он упарил досуха экстракт ванили и затем очистил вещество перекристаллизацией. Эмпирическая формула ванилина СН­8­О­3 была установлена только в 1872 году французским химиком Жаном Карлем, который изучил некоторые его свойства, в частности йодирование. Прошло еще два года, и немецкие химики Фердинанд Тиман и Вильгельм Хаарман впервые получили синтетический ванилин. Они синтезировали его окислением хромовой смесью кониферина — глюкозида кониферилового (3­метоксигидроксикоричного) спирта. Впервые кониферин был получен из сока хвойных растений (Coniferales). Он входит в состав широко распространенного природного полимера лигнина. В 1875 году в маленьком городке Хольцминдене в Брауншвейге заработала фабрика, на которой получали ванилин; это было тогда единственное в мире масштабное промышленное производство синтетического душистого вещества. Первый синтетический ванилин был очень дорогим, но усовершенствование методики синтеза позволило быстро снизить цену более чем в 50 раз. Сейчас дешевый ванилин получают в основном из отходов производства целлюлозы и широко используют как ароматизатор в пищевой промышленности и как душистое вещество в парфюмерии.

Есть и другие источники ванилина. В 2007 году Игнобелевской премии по химии была удостоена японка Маю Ямамото. Ей удалось получить вещество, пахнущее ванилином, из коровьего навоза. Но тут нет ничего удивительного: в коровьем навозе много лигнина, а способ его химической переработки в ванилин известен давно и используется в промышленности. Однако исходный лигнин получают не из навоза, а из отходов целлюлозно-­бумажной промышленности.

Синтетический ванилин пахнет точно так же, как и природный, но стоит намного дешевле — от 5 до 30 долларов за 1 кг. Цена природного ванилина сильно зависит от урожая, например, летом 2018 года природный ванилин почти сравнялся по стоимости с серебром (более 500 долларов за 1 кг). Ежегодно во всем мире потребляется 12 000 т ванилина, из которых только небольшая часть природного происхождения, остальное — продукт синтеза. Химически природный и синтетический ванилин идентичны, но различить их все же можно, хотя и непросто: для этого нужен масс­-спектрометрический анализ на соотношение изотопов углерода 13C/12C. Сравнение изотопного состава боковой метоксильной группы СН3О в природном и синтетическом ванилине показало, что в синтетическом продукте наблюдается значительное обогащение тяжелым изотопом углерода по сравнению с природным.

pic_2019_03_17-2.jpg

Ментол

Но бывает и по­-другому — когда синтетическому веществу непросто конкурировать с природным. Примером может служить ментол. Бесцветные кристаллы ментола были выделены из масла перечной мяты (Mentha) еще в 1774 году. Ментол — ценное лекарственное вещество. Он является важнейшей составной частью валидола; его добавляют в средства от кашля, в зубную пасту, в жевательную резинку, ментолом ароматизируют спиртные напитки, кондитерские изделия, например, пряники. В молекуле ментола (2-­изопропил-­5-­метилциклогексанола) три хиральных атома углерода (на рисунке они помечены звездочками). Поэтому ментол может существовать в восьми стереоизомерных оптически активных формах, которые образуют четыре пары рацематов. Стереоизомеры ментола отличаются друг от друга запахом и вкусом; чистым мятным запахом и холодящим вкусом в наибольшей степени обладает природный левовращающий -(­-)­ментол в конфигурации (по номенклатуре Кана — Ингольда — Прелога) 1R,2S,5R.

Сравнительно легко можно получить рацемический ментол — смесь кристаллов; намного сложнее и дороже синтезировать на 100% рацемически чистое вещество («истинный рацемат»). Оно может понадобиться, например, для стереоспецифичного (асимметричного) синтеза. Синтетический «энантиомерно чистый» ментол содержит только 94% основного изомера. Так что неудивительно, что промышленным источником оптически чистого -(-­)­ментола служит мятное эфирное масло.

Есть и другие примеры, когда природное вещество дешевле синтетического. Так, морфин можно синтезировать несколькими способами, но природный дешевле. В некоторых странах природный каучук может быть дешевле синтетического того же качества. А такие вещества, как сахароза, фруктоза, инулин, индивидуальные жирные кислоты, некоторые витамины, получают исключительно из природных источников, хотя теоретически их можно синтезировать.

123

Разные разности

27.06.2022 16:00:00

…самцы паука-ткача после спаривания катапультируют со скоростью 65 см/сек., чтобы самка не успела его съесть…

…чемпионы по фиксации углерода — не растения, а почвенные бактерии, которые делают это в 20 раз быстрее…

…под полом собора Парижской Богоматери ученые обнаружили десять саркофагов, которые были похоронены между XIV и XVIII веками…


>>
21.06.2022 14:00:00

Команда французских ученых выяснила, что обычные муравьи, живущие в лесу, могут различать по запаху здоровые и раковые клетки человека.

>>
17.06.2022 14:00:00

Исследователи из Университета Бристоля придумали сенсорное устройство, с помощью которого можно снимать тревогу. Попросту, это — подушка, которая дышит. Ты ее обнимаешь и успокаиваешься.

>>
16.06.2022 13:00:00

В коллекции Эрмитажа есть набор из восьми золотых и серебряных трубок возрастом около пяти тысяч лет, найденных на Северном Кавказе больше ста лет назад. Археолог Н.И. Веселовский, который сделал эту находку, предположил, что это скипетры. Но почему они полые? Вопрос оставался без ответа. И вот недавно появилась новая и очень убедительная версия назначения этих трубок.

>>
15.06.2022 17:00:00

Соль, а точнее, входящие в ее состав ионы натрия, нужны любому живому существу. У хищников и всеядных, к коим относится человек, проблем с солью нет — они едят мясо, в котором благодаря крови соли много. А нужна ли соль насекомым? Этим вопросом задались экологи из Мичиганского университета и получили на него ответ в интересном эксперименте.

>>