Занимательная химия для детей и взрослых - Илья Леенсон

Муравьиный феромон

Феромоны обычно имеют молекулярную массу от 100 до 300. Самый же простой по строению «сигнальный агент» – диоксид углерода (углекислый газ). Для некоторых видов муравьев он тоже служит феромоном. Оказавшись далеко от муравейника, рабочие муравьи находят дорогу домой, двигаясь в сторону увеличения концентрации СО2, которая максимальна около скопления муравьев. Привлекает этот газ и личинок некоторых червей, питающихся корнями кукурузы. Вылупившись, крошечные личинки способны в поисках пищи пройти путь в земле до 1 м, руководствуясь запахом СО2, который выделяют корни растений.

Очень интересны взаимоотношения между смоковницами, их плодами и живущими в них фиговыми осами. Когда инжир созревает, концентрация СО2 в ягодах повышается на 10 %. Этого достаточно, чтобы усыпить осиных самок. Самцы же остаются активными, оплодотворяют самок и вылетают наружу, проделав в ягодах ход. Через эти дырочки избыток СО2 улетучивается, самки просыпаются и тоже покидают ягоды, заодно унося на своих щетинках пыльцу растения.

Для теплокровных животных значительное повышение концентрации СО2 в воздухе может быть губительным. Известны многочисленные случаи гибели людей в пещерах, на дне которых скапливался этот тяжелый (в 1,5 раза тяжелее воздуха) газ. Самая большая катастрофа, вызванная углекислым газом, произошла в Камеруне, на озере Ниос. Это озеро представляет собой заполненный водой кратер потухшего вулкана. В течение тысячелетий газ из недр просачивался в воду, которая оказалась им перенасыщенной. По невыясненной причине 21 августа 1986 г. газ неожиданно и очень быстро, всего за 15–20 с, выделился в воздух, как он выделяется из откупоренной бутылки с газированной водой, и распространился по низинам вокруг озера. По оценкам, его было 1,2 миллиона кубических километров! В результате от удушья в радиусе 10 км погибли 1700 человек и более 3000 животных.

Поговорим теперь о рекордах в ощущении вкуса. Как уже упоминалось в главе 3, описан случай, когда один пробующий уловил горечь фенилтиомочевины при ее концентрации в растворе всего лишь 0,01 мг/л, в то время как другие не обнаружили то же вещество, когда его было 2,5 г/л, т. е. в 250 000 раз больше. Подобные обстоятельства весьма затрудняют определение «рекордсменов» вкуса.

Самым жгучим вкусом обладает, вероятно, одно из производных ванилина – ванилиламид 8-метил-6-ноненовой кислоты, он же капсаицин (от латинского названия стручковых перцев рода Capsicum) . Больше всего его в однолетнем перце Capsicum annum – около 0,03 %. Если пожевать немного этого перца, потом очень трудно избавиться от жгучей боли в языке. Человек может переносить вкус этого соединения в течение 2 мин, если его концентрация не превышает 0,004 мг/л. По последним данным, капсаицин может найти применение в медицине: опыты на мышах показали, что это вещество убивает до 80 % раковых клеток в простате. Пока не ясно, как капсаицин будет действовать на человека с таким заболеванием, а также каким образом вводить его в организм.

Капсаицин известен с 1876 г., а в 1989 г. был выделен растительный яд ресинифератоксин, который обладает аналогичным физиологическим действием, но в концентрациях в 10 000 раз меньших! Как не без иронии замечают авторы книги «Мировые рекорды в химии», пока не ясно, захочет ли кто-нибудь использовать замечательные свойства этого соединения в качестве острой приправы. Трудно описать, каков вкус у грейпфрута. Но именно из их плодов, переработав 100 л грейпфрутового сока, швейцарские химики Э. Демолле, П. Энггист и Г. Олофф выделили в 1982 г. «рекордсмена» вкуса. Как ни удивительно, но он оказался меркаптаном, его химическое название – 1- пара -ментен-8-тиол. Вкус этого соединения можно почувствовать при концентрации всего 0,02 нг/л.

Капсаицин

Ресинифератоксин

Кажется невероятным, но для получения такой концентрации в огромном танкере со 100 000 т воды надо растворить всего 2 мг вещества!

Одно из важнейших свойств красителя – длина волны света, отвечающая максимуму поглощения. От этой характеристики во многом зависит, какого цвета будет данное соединение. Так, если вещество поглощает свет в желтой области спектра (585–595 нм), то оно будет иметь голубой цвет; и наоборот – поглощение голубого света (440–480 нм) придает веществу желтый цвет. Обычно считают, что максимум поглощения – такая же физическая характеристика вещества, как, скажем, температура плавления. Однако часто этот максимум заметно сдвигается при смене растворителя. Это явление называется сольватохромизмом (термин образован от латинского слова solvere – «растворять» и греческого chroma – «цвет»). Из неорганических соединений самый известный пример – растворы йода: в бензине они имеют фиолетовый цвет, а в бензоле или в спирте – коричневый. Примером органического вещества, обладающего таким свойством, может служить широко распространенный в природе краситель β-каротин (на латыни carota – «морковь»). Раствор этого интенсивно окрашенного вещества в гексане имеет максимум поглощения в сине-зеленой области спектра (482 нм) и соответственно оранжевый цвет. Раствор этого же соединения в хлороформе имеет максимум при 497 нм и красную окраску, а раствор в сероуглероде поглощает в зеленой области (520 нм) и имеет пурпурный цвет. Значит, растворяя одно и то же вещество в разных средах, можно получить растворы разной окраски. Рекордсменом по части сольватохромизма является бетаиновый краситель, полное название которого – 4-(2,4,6-трифенилпиридин-1-ил)-2,6-дифенилфенолят-анион:

Структура 47

Максимум поглощения этого аниона в водном растворе приходится на синюю область (452,9 нм); это в точности совпадает с максимумом поглощения β-каротина, поэтому такой раствор должен иметь морковный цвет. Максимум поглощения того же аниона, растворенного в дифениловом эфире (С6Н5)2О, сдвигается до 809,7 нм, т. е. на невидимую инфракрасную область спектра! Таким образом, сдвиг составляет 356,8 нм – величину, бо́льшую, чем вся область видимого света (от 400 до 700 нм). Известны случаи и «обратного» сольватохромизма, когда поглощение сдвигается в синюю область спектра при переходе от полярного растворителя к неполярному. Так, одно из производных тиофена имеет максимум поглощения при 597 нм в полярном растворителе (смесь формамида и воды) и при 462 нм в неполярном (раствор гексана).

Другая важная оптическая характеристика вещества – интенсивность поглощения света в максимуме спектральной полосы. Чем сильнее это поглощение, тем сильнее и окраска. При прочих равных условиях (концентрация, толщина поглощающего слоя) она определяется молярным коэффициентом поглощения ε (раньше его называли коэффициентом экстинкции) и измеряется в единицах л/(моль · см). У красителей значения ε доходят до сотен тысяч (для сравнения: для интенсивно окрашенного фиолетового комплекса ионов меди с аммиаком в водном растворе ε = 110, а для чистого раствора медного купороса – в несколько раз меньше). К веществам с самыми высокими значениями ε относятся порфирины (от греч. porphyreos – «пурпурный»). Два рекорда были установлены в течение двух лет подряд. Сначала в 1995 г. немецкие химики синтезировали октаэтилпорфирин с максимумом поглощения при 460 нм и ε = 1 120 000 л/(моль · см), а в следующем году их английские коллеги синтезировали симметричную структуру, содержащую девять порфириновых циклов (48). Это соединение имеет сине-зеленую окраску (максимум поглощения при 620 нм) и рекордный коэффициент поглощения: ε = 1 150 000 л/(моль · см). Окраска вещества с таким коэффициентом становится заметной при его концентрации в растворе менее 10–8 моль/л (при толщине слоя 10 см).