Уже пятое января, а вы только дописали лабораторные отчеты за 2022 год? Или только сейчас закончился синтез, который по плану должен был завершиться еще в декабре? А дома у вас — ни елки, ни мандаринов, только телевизор, да и тот не работает. Половина магазинов закрыта, на прилавках другой половины уже ничего новогоднего не осталось. Но не отчаивайтесь: дух Нового года все еще можно раздобыть. Вам нужно лишь немного химии.
В конце концов, аптеки открыты, пару реактивов можно позаимствовать из лаборатории, да и дома уж наверняка найдется проволока или никому не нужные специи. Конечно, так получится только эрзац Нового года, но это точно лучше, чем ничего.
Мы выбрали пять праздничных запахов, которые можно относительно несложно воссоздать. Обойтись исключительно тем, что есть дома, конечно, не получится. Но большую часть ингредиентов новогоднего запаха можно достать. Вот что вам потребуется:
- Листья тмина, листья мяты и сахар — наверняка найдутся дома или у вас, или можно одолжить у соседей.
- Медную проволоку и цинк в любом виде опять же придется искать по ящикам или спрашивать у соседей. В крайнем случае — искать открытый хозяйственный или строительный магазин. Там же, возможно, удастся раздобыть какой-нибудь неполярный растворитель. Лучше всего подойдет петролейный эфир.
- В аптеке нужно будет купить медицинский спирт и пару аминокислот, например пролин и глицин.
- А вот с остальным будет сложнее. Гидроксид натрия и серу все-таки придется тащить из лаборатории. Хуже всего с концентрированной соляной кислотой и бензальдегидом — эти вещества, хоть и частые реагенты в химическом синтезе (особенно соляная кислота), но входят в список прекурсоров наркотических веществ, поэтому вам без разрешения их не продадут. И как их можно получить, мы вам тоже не скажем.
Химическая посуда тоже не обязательна. Лучше, чтобы это было что-то максимально инертное, например стеклянное. Но сгодятся и чашка, и кастрюля.
Можно приступать. Выберите один из пяти новогодних запахов, а мы расскажем, как его можно просто получить методами синтетической химии.
Важно!
Все приведенные в тексте схемы мы все же просим не повторять дома. Для безопасности — своей и окружающих — синтез нужно проводить в специальной посуде в лабораторных условиях.
Мандарины
Мандариновый запах — сложный. В эфирном масле мандаринов — десятки разных веществ. На обонятельные рецепторы действует вся смесь. Но основной компонент у мандаринового масла все же есть. Это углеводород D-лимонен. Одного его хватит, чтобы довольно точно повторить аромат свежих мандаринов. Правда, немного будет похоже и на другие цитрусовые.
Сложность в синтезе лимонена заключается в том, что он существует в виде двух зеркальных изомеров, которые обозначают префиксами D- и L-. У одного CH3-группа в изопропениле торчит вправо, а у другого — влево. Но мандаринами пахнет только D-изомер лимонена, и чтобы его получить в чистом виде, нужно либо проводить стереоселективный синтез, либо использовать уже готовый хиральный каркас другой молекулы.
Первый путь более сложный и требует дорогих реактивов, а пойти по второму — гораздо проще. Надо просто найти D-изомер другой молекулы, которая похожа на нужную нам, но доступна. Например, подойдет D-карвон — он отличается от лимонена одной карбонильной группой, и он есть в листьях тмина! Восстановить D-карвон до D-лимонена можно по реакции Клемменсена.
Приступаем к синтезу. Вам понадобятся листья тмина, этиловый спирт, концентрированная соляная кислота, гранулы цинка и любой неполярный органический растворитель.
- Сначала надо выделить карвон из тминового масла. Это можно сделать с помощью экстракции разными органическими растворителями, например, этиловым спиртом. Для этого листья тмина погрузите в спирт и полученную смесь кипятите несколько часов.
- Упарьте раствор, чтобы спирта практически не осталось.
- Смешайте карвон с концентрированной соляной кислотой (осторожно!) и добавьте несколько гранул цинка (примерно в 10 раз больше по массе, чем исходного карвона). Перемешивайте раствор несколько часов.
- Отфильтруйте не вступивший в реакцию цинк.
- К раствору добавьте растворитель и активно перемешайте смесь.
- Отделите органическую фракцию.
- Повторите шаги 5 и 6 три раза.
- Объедините все органические фракции и упарьте растворитель.
Теперь у вас есть жидкость с запахом мандаринов. Не мандарины конечно, но хоть что-то.
На стадии восстановления можно столкнуться с проблемой: реакция Клемменсена с D-карвоном не описана в литературе, и есть возможность, что она просто не пойдет или приведет к смеси продуктов. Поэтому, если вы химик, лучше используйте боргидридные восстановители — они надежно восстанавливают D-карвон до D-лимонена.
Елка
Это может прозвучать странно, но запах елки — зеркальное отражение запаха мандарина. Для цитрусового запаха нужен лимонен в D-форме, а запах хвои состоит из точно такой же молекулы, но в зеркальном виде. То есть чтобы наполнить воздух запахом елки, понадобится L-лимонен. Получить его можно из L-карвона, которого очень много в мятном масле — от 50 до 70 процентов. Выделенный из мятных листьев карвон затем надо будет восстановить до L-лимонена с помощью цинка в соляной кислоте.
Начинаем синтез. Вам нужны листья мяты, этиловый спирт, гранулы цинка, концентрированная соляная кислота и любой неполярный органический растворитель, например, петролейный эфир.
- Экстрагировать карвон из мяты можно этиловым спиртом. Для этого погрузите листья в спирт и полученную смесь кипятите несколько часов. Упарьте раствор, чтобы спирта практически не осталось.
- Смешайте выделенный карвон с концентрированной соляной кислотой и добавьте несколько гранул цинка (примерно в 10 раз больше по массе, чем исходного карвона). Перемешивайте раствор несколько часов.
- Отфильтруйте осадок.
- К фильтрату добавьте петролейный эфир и активно перемешайте смесь.
- Отделите органическую фракцию.
- Повторите шаги 4 и 5 три раза.
- Слейте все органические фракции и упарьте растворитель.
Если вдруг вы не нашли мяты для синтеза L-лимонена, то можно пойти другим путем: взять D-лимонен и превратить его в ахиральный пара-цимол, который тоже сильно пахнет хвоей. Для синтеза D-лимонена можно экстрагировать D-карвон из эфирного масла тмина (как для мандаринового запаха), а потом восстановить его по реакции Клемменсена.
Для ахирального цимола вам подойдет и тминно-мандариновый D-лимонен, и мятно-елочный L-лимонен, и любая их смесь.
Кроме любого изомера лимонена, вам будет нужен порошок серы.
- В течение суток грейте смесь лимонена и небольшого избытка серы при температуре в 125 градусов Цельсия. Лучше это делать в бескислородной атмосфере. При этом лимонен окислится с образованием цимола, а сера превратится в сероводород.
- Смесь залейте петролейным эфиром и отфильтруйте нерастворимый осадок.
- Фильтрат полностью упарьте.
- Поставьте искуственную елку и побрызгайте на нее полученной смесью.
Несмотря на простоту, этот метод синтеза имеет довольно принципиальный недостаток — образующийся сероводород пахнет тухлыми яйцами и может испортить хвойный аромат. Чтобы обойтись без побочных запахов, можно воспользоваться методом, который химики из Испании придумали в 2010 году: взять вместо серы более доступную природную глину. Она не только не приводит к появлению неприятного запаха, но и найти ее, вероятно, будет проще. Правда, греть реакцию придется сильнее — до 165 градусов Цельсия.
Бенгальские огни
По сравнению с эфирными маслами растений, состав бенгальских огней очень простой. Обычно при их изготовлении в качестве основного горючего используют порошки алюминия или магния. Их смешивают с солями, содержащими неметаллы в высокой степени окисления, например, хлоратами и нитратами щелочных металлов. При горении порошок металла быстро окисляется до оксида с выделением большого количества тепла.
Пахучих веществ, если порошки металлов достаточно чистые, образуется очень мало. Но часто в бенгальские огни добавляют серу, которая при горении превращается в сильно пахнущий сернистый газ — его запах и будем воспроизводить.
Для получения сернистого газа вам понадобится только элементарная сера.
- Приготовьте сосуд с отводом и присоединенным к нему шлангом. Конец шланга опустите в другой сосуд.
- Отберите небольшую горстку серы и подожгите любым источником пламени внутри сосуда с отводом. Сера будет медленно гореть синим пламенем, образуя чистый сернистый газ.
- После окончания реакции отсоедините шланг и закройте второй сосуд, наполненный сернистым газом.
Если вы не хотите собирать сернистый газ в отдельный сосуд, просто подожгите серу. Но обязательно в хорошо проветриваемом помещении — иначе запах будет слишком резким.
Корица
Для синтеза коричного запаха нужен бензальдегид. Оборот этого вещества ограничен законом, поэтому как его синтезировать — мы не расскажем.
Запах корицы — это в первую очередь коричный альдегид, основной компонент коричного эфирного масла. Коричный альдегид, как и некоторые другие сопряженные альдегиды, можно получить по реакции альдольно-кротоновой конденсации. В ней одно карбонильное соединение присоединяется к другому с образованием связи углерод-углерод, а от получившейся молекулы отщепляется вода, и образуется продукт с сопряженными двойной связью и карбонильной группой. Для синтеза коричного альдегида по реакции конденсации нужны два вещества: бензальдегид и ацетальдегид.
Ацетальдегид можно получить окислением этилового спирта. Для этого есть много разных реагентов, но самый простой способ — каталитическое окисление кислородом в присутствии металлической меди.
Для синтеза вам понадобятся этанол и медная проволока.
- Приготовьте сосуд, налейте в него этанол.
- Внесите в сосуд раскаленную медную проволоку. Чем дольше раскаленная проволока будет в контакте с жидкостью, тем больше альдегида получится.
В результате реакции окисления образуется смесь ацетальдегида и исходного спирта. Выделить чистый альдегид сложно без лабораторной посуды, поэтому дальше придется использовать смесь.
Теперь, можно приступать к синтезу самого коричного альдегида. Чтобы успешно провести реакцию конденсации, вам понадобится гидроксид натрия, полученная смесь этанола с ацетальдегидом и бензальдегид.
- Приготовьте десятимолярный раствор гидроксида натрия в воде.
- Смешайте бензальдегид с раствором гидроксида натрия.
- Нагрейте раствор до 70 градусов Цельсия.
- Медленно прикапайте к этому раствору ацетальдегид.
- Продолжайте нагревание еще полчаса.
У вас получится смесь веществ, но самым сильным одорантом в ней будет коричный альдегид. Поэтому отделять продукт от исходников необязательно.
Выпечка
Запах выпечки возникает, когда при высокой температуре углеводы и аминокислоты в составе теста реагируют между собой — этот процесс называется реакцией Майяра. Подробнее о реакции Майяра — в нашем материале «Химия на шампуре». В ходе этой реакции, а точнее, набора реакций между разными аминокислотами и сахарами, образуется много ароматных веществ с разными оттенками запаха сладкого и печеного.
Эти реакции идут за счет того, что аминокислоты содержат нуклеофильные аминогруппы, способные атаковать электрофильные атомы карбонильных групп в молекулах сахаров. При этом даже если смешать всего одну аминокислоту и один углевод, продуктов реакции получается много. Среди них отчетливым ароматом выпечки обладают содержащие ацетильную группу частично насыщенные гетероциклы — например, 2-ацетил-1-пирролин и 6-ацетил-1,2,3,4-тетрагидропиридин.
Реакцию Майяра можно провести и между чистыми исходниками. При этом смеси разных кислот и сахаров дают разные оттенки запаха. Например, известно, что комбинация пролина с глюкозой дает более отчетливый запах жареного, а смесь пролина с фруктозой позволяет получить мягкие карамельные нотки.
Поэтому чтобы наполнить комнату запахом выпечки, вам понадобятся сахар и купленный в аптеке, например, пролин.
- Смешайте одинаковые количества пролина и обычного сахара.
- Аккуратно нагрейте смесь до температуры в 150 градусов Цельсия. Не грейте слишком долго — а то получите уголек.
- Закройте глаза и представьте вкусную булочку.
