Получение душистых веществ различными методиками и их анализ.

Получение душистых веществ различными
методиками и их анализ.
Автор:
Остапенко Виктория Николаевна
г.Челябинск, МАОУ СОШ№ 21, 11 класс
Научный руководитель:
Меньшиков Владимир Владимирович
кандидат химических наук,
доцент кафедры химии и МПХ ЧГПУ
Сутягин Андрей Александрович,
кандидат химических наук,
доцент кафедры химии и МПХ ЧГПУ
Челябинск - 2013
Содержание
Введение ___________________________________________________________ 1
1.Духи и запах_______________________________________________________
1.1.Природа запаха __________________________________________________ 2
1.2Что такое духи с точки зрения химии.________________________________ 2- 5
2.Методика получения душистых веществ из природного сырья.____________ 6-9
2.1 Получения композиция из растворов душистых веществ._______________ 9
2.2 Заключение и выводы ____________________________________________ 10
Список литературы _________________________________________________ 10
Приложение _______________________________________________________ I-III
1
Введение
На сегодняшний день популярность парфюмерии: дезодорантов, духов, туалетной
воды и т.д., очень велика. Каждый второй член общества не зависимо от возраста
приобщается к использованию душистых веществ.
Большинство людей во всем мире испокон веков пользуются духами. Кто–то никогда
не изменяет своих пристрастий, другие, наоборот, постоянно экспериментируют с ароматами,
подбирая их под настроение и новый образ. Однако лишь немногие задумываются о том, как
создаются эти прекрасные творения, делающие нашу жизнь то более сладкой, то более
пряной, и какие химические соединения придают им эти качества. Влияние ароматов на
организм человека – дело тонкое и требует тщательного подхода. Нас заинтересовал вопрос:
как правильно и успешно получить на практике душистые вещества из доступных каждому
человеку компонентов?
Актуальность исследования: Запахи окружают нас и являются неотъемлемой частью
нашей картины мира. Лучшие ароматы, созданные величайшими парфюмерами, вошли в
историю. Однако сделать духи можно и самому. При этом, увлекательная работа по созданию
собственной парфюмерной композиции позволяет параллельно изучить некоторые разделы
химии, полезные не только с точки зрения академических знаний, но и с бытовой и
практической точек зрения.
Предмет исследования: синтез органических веществ разными методиками.
Объекты исследования: природное сырье (душистые вещества, содержащиеся в
пряностях, лепестках роз, листьях герани, апельсине).
Цель работы: изучить и апробировать методы получения духов из растительных
объектов.
Задачи исследования: 1) анализ литературного материала, посвященного душистым
веществам, их структурнее и способам получения;2) описать биологический механизм
восприятия ароматов;3) описание экспериментальной части работы;4) отработка методик
выделения духов из растительных объектов;5) провести анализ эффективности использования
растительного сырья для получения духов; 6) составления своей собственной коллекции
композиций
При выполнении работы применялись следующие методы исследований:
1) анализ литературного материала;2) экстракция;3) перегонка с паром;4)органолептический;
2
1. Духи и запах
1.1.
Природа запаха
Впервые парфюмерия была использована в древнем Египте. Большинство упоминаний
о ней было связано с богами и жертвоприношениями. В 30-х гг.XX в., после того как Эрик
Хюккель сформулировал знаменитые критерии ароматичности органических веществ теория
ароматичности распространилась по всему миру. Сегодня, как никогда, духи вызывают
интерес и разжигают страсти, ведь с каждым днем они делаются все разнообразнее и
утонченнее. Парфюмы для всех и персональные варианты, свежие утренние и роскошные
вечерние.
Духи –
парфюмерное средство, спиртовые или спиртоводные растворы смесей
душистых веществ – парфюмерных композиций и настоев. Из всех парфюмерных средств в
духах наиболее высока концентрация эфирных масел (от 15 до 30%). Сырьём для душистых
веществ растительного происхождения служат, прежде всего, лепестки цветов, плоды, листья,
корни растений - эфироносов.
Аромат – это способ восприятия мира. Человек ощущает запах душистых веществ,
содержащихся вокруг него, часто даже при их незначительном содержании в воздухе.
Так как же мы чувствуем запахи и можем их различать? У каждого из нас есть 5
миллионов сенсорных клеток, которые позволяют нам оценить все прелести обоняния. Было
бы жалко ими не воспользоваться.
Рецепторы, воспринимающие различные запахи, находятся в слизистой оболочке
верхних отделов полости носа, на уровне верхней носовой раковины. На свободной стороне
каждой обонятельной клетки имеется до 10-12 обонятельных волосков, увеличивающих
обонятельную поверхность в 100-200 раз. При вдохе вещества, содержащиеся в воздухе,
попадают в полость носа, растворяются в слизи и раздражают реснички чувствительных
обонятельных клеток. Центральные отростки обонятельных клеток выходят из слизистых
оболочек и образуют обонятельный нерв, идущий к мозгу. Центральным отделом
обонятельного анализатора является кора обонятельного бугорка и гиппокампа. Поэтому
обонятельные ощущения имеют эмоциональную окраску.
1.2 Что такое духи с точки зрения химии.
Запах, ощущаемый клетками человека, обусловлен, прежде всего, химической структурой
соединения, его обуславливающего. Каждое ароматическое вещество имеет свое
3
строение и химические свойства, потому, при любых изменениях в структурной форме
вещества, изменяется и его запах.
Духи – это растворы смесей душистых веществ. Право называться духами или
одеколоном диктуется жестким стандартом ассоциации парфюмеров Франции.
Все виды парфюмерии состоят в основном из ароматического концентрата, спирта и
воды и различаются лишь соотношением этих компонентов. В составе парфюмерии
допускается небольшое содержание красителей и антиоксидантов, предотвращающих
окисление компонентов духов. При этом, наличие дополнительных компонентов никак не
должно отражаться на запахе парфюма. Нормы концентраций душистых веществ для разных
видов парфюмерии в разных странах различны, но всегда колеблются в определенных
пределах.
Пахучие вещества встречаются в очень многих классах органических соединений. Их
строение весьма разнообразно: это соединения с открытой цепью насыщенного и
ненасыщенного характера, ароматические соединения, циклические соединения с различным
числом атомов углерода в цикле. Неоднократно делались попытки классифицировать пахучие
вещества по запаху, но они не имели успеха, так как такое распределение по группам
сталкивается со значительными трудностями и лишено научного основания. Классификация
пахучих веществ по их назначению также весьма условна, так как одни и те же пахучие
вещества имеют различное назначение, например для парфюмерии, кондитерских изделий и т.
п.
Наиболее удобно классифицировать пахучие вещества по группам органических
соединений. Такая классификация позволила бы связывать их запах со строением молекулы и
природой функциональной группы.
Самая обширная группа пахучих веществ — сложные эфиры. Многие пахучие
вещества относятся к альдегидам, кетонам, спиртам и некоторым другим группам
органических соединений. Эфиры низших жирных кислот и насыщенных жирных спиртов
обладают фруктовым запахом (фруктовые эссенции, например изоамилацетат), эфиры
алифатических кислот и терпеновых или ароматических спиртов — цветочным (например,
бензилацетат, терпинилацетат.)
Основным компонентом духов являются ароматические соединения различной
природы. Это циклические органические соединения, которые имеют в своём составе
ароматическую систему. Простейшим представителем ароматических соединений является
бензол:
4
áåí çî ë
Основными отличительными свойствами этих соединений являются повышенная
устойчивость ароматической системы и, несмотря на ненасыщенность, склонность к реакциям
замещения. В структуре молекул многих соединений можно выделить несколько
ароматических систем, которые могут быть по отношению друг к другу изолированными либо
конденсированными:
í àô òàëèí
àí òðàöåí
áèô åí èë
Как правило, ароматические соединения – твердые или жидкие вещества. Они
отличаются от алифатических и алициклических аналогов высокими показателями
преломления и поглощения в близкой УФ и видимой области спектра. Для ароматических
соединений характерны реакции замещения, как электрофильного (галогенирование,
нитрование, сульфирование, алкилирование, ацилирование и др.), так и нуклеофильного.
Душистые вещества – органические соединения с характерным запахом, применяемые
в производстве парфюмерии. Из них составляют многокомпонентные смеси, содержащие в
основном терпены. По самой простой классификации душистые вещества по двум признакам:
1) по виду растений, из которых они получены (розовое масло, лавандовое, гераневое);
2) по главному компоненту, входящему в состав масла (эвгеновое, камфорное).
Обширный экспериментальный материал о связи между запахом соединений и строением их
молекул (тип, число и положение функциональных групп, величина, разветвлённость,
пространственная структура, наличие кратных связей и др.) пока недостаточен для того,
чтобы на основании этих данных можно было предсказать запах вещества. Тем не менее, для
отдельных групп соединений выявлены некоторые частные закономерности. Накопление в
одной молекуле нескольких одинаковых функциональных приводит обычно к ослаблению
запаха (например, при переходе от одноатомных спиртов к многоатомным).
Значительное влияние на запах оказывает величина молекулы. Запах зависит также от
числа атомов углерода в цикле. Например, макроциклические кетоны С5-С6 имеют запах
5
горького миндаля или ментола, С6-С9 — дают переходный запах, С9-С12 — запах
камфары или мяты, С13 — запах смолы или кедра, С14-С16— запах мускуса или персика.
Сходство структур соединений не всегда обусловливает сходство их запахов.
Например, эфиры (β-нафтола с приятным и сильным запахом широко используют в
парфюмерии, а эфиры α-нафтола совсем не пахнут:
OCH3
OCH3
ì åòèëî âû é ýô èð áåòòà-í àô òî ëà
ì åòèëî âû é ýô èð àëüô à-í àô òî ëà
Наличие кратных связей — один из признаков того, что вещество обладает запахом.
Рассмотрим, например, изоэвгенол и эвгенол:
HC
CH
CH3
H2C
OCH3
OH
èçî ýâãåí î ë
CH
CH2
OCH3
OH
ýâãåí î ë
У обоих веществ ярко выраженный гвоздичный запах, их широко используют в
парфюмерии. При этом изоэвгенол имеет более приятный запах, чем эвгенол. Однако стоит
насытить у них двойную связь, и запах почти исчезает.
С другой стороны, вещества, различающиеся по химическому строению, могут иметь
сходные запахи. Например розоподобный запах характерен для розацетата 3-метил-1-фенил3-пентанола ,гераниола и его цис-изомера — нерола, розеноксида.
На запах влияет и степень разбавления вещества. Так, некоторые пахучие вещества в
чистом виде имеют неприятный запах (например, цибет, индол). Смешивание различных
душистых веществ в определённом соотношении может приводить как к появлению нового
запаха, так и к его исчезновению. Лишены запаха алифатические соединения, содержащие
более 17-18 атомов углерода.
Согласно теории функциональных групп М. Бетс 1957 запах вещества зависит от
общего «профиля» молекулы и от природы функциональных групп. Однако ни одна из этих
теорий не позволяет успешно предсказать запах душистых веществ на основании строения их
молекул.
6
2. Методика получения душистых веществ из природного сырья.
Одним из распространенных видов сырья для производства духов являются
растительные объекты.
Душистые вещества содержатся в растениях обычно в виде маленьких капелек в
особых клетках. Они встречаются не только в цветах, но и в листьях, в кожуре плодов и
иногда даже древесине.
Содержание эфирных масел в тех частях растений, которые используются для их
получения, колеблется от 0,1% до 10%.
Среди них особенно часто встречаются сложные эфиры, альдегиды и спирты
насыщенного, ненасыщенного и ароматического рядов. Очень важными компонентами
эфирных масел являются терпены и их производные.
Терпинен – циклический углеводород. Он встречается в незначительных количествах
во многих эфирных маслах.
Лимонен – важный компонент масла из лимонной корки.
Пинен – главная составная часть живичного скипидара. Он служит исходным
соединением для получения синтетических душистых веществ.
Эфирные масла обычно очень трудно растворяются в воде, но легко растворяются в
спирте. Поэтому первый способ получения душистых веществ – это экстракция в
растворители (спирт).
Для получения духов
из растительных компонентов мы использовали следующие
объекты: листья герани, лепестки роз, корки апельсина. Кроме того, в качестве объектов
применялись некоторые пряности, используемые человеком для приготовления пищи,
например, корица.
Для получения экстракта сырье заливалось этиловым спиртом и настаивалось в
течение недели. Например, для приготовления экстракта из апельсина около 7.5 г.
апельсиновых корок мелко измельчали и опускали в колбу с 20 мл спирта. Настаивали этот
раствор около недели, сливали спирт, корки слегка отжимали, и полученный раствор
фильтровали.
Подобным способом были получены экстракты, обладающие определенным ароматом.
Экстракт из апельсиновых корок обладает достаточно ярким, но жестким апельсиновым
запахом. Спиртовой раствор герани обладал интенсивным травянистым запахом. Экстракт
корицы характеризовался интенсивным насыщенным коричным запахом. При получении
экстракта из розы запах розы получен не был. Вместо этого раствор имел очень слабый
7
травяной запах.(приложение -1)
В то же время, полученные вытяжки не могут использоваться в качестве духов. Вопервых, компоненты, из которых извлекались душистые вещества, придают раствору
характерную окраску: желтую в случае апельсина и розы, зеленую – в случае герани, и
красно-коричневую – в случае корицы.
Во-вторых, применение таких духов может оказаться даже опасным для кожи
человека, вызывая ожоги и раздражения, а также оставляя пятна на одежде.
Но, полученные экстракты можно использовать в качестве ароматизирующих добавок
при получении мыла, а также для получения духов дальнейшей переработкой экстрактов
(например, перегонкой с паром), а также для создания ароматных композиций.
Второй способ, приводящий к получению более чистых эфирных масел, но в водных
растворах, заключается в перегонке с водяным паром. Сами по себе эфирные масла часто
летучи только при повышенных температурах, и их кипение сопровождается разложением.
Если же через массу, состоящую из растений или их частей, пропустить водяной пар, то масла
удаляются вместе с паром и затем собираются в дистилляте в виде капелек, которые имеют
низкую плотность и поэтому плавают на поверхности воды.
Для получения духов
из природных компонентов мы использовали растительное
сырье (листья герани, корки апельсина, лепестки роз), а также более широкий спектр
используемых для приготовления пищи пряностей (мускатный орех, гвоздика, корица,
имбирь, тмин).
Для перегонки с паром был собран прибор, состоящий из колбы – парообразователя,
соединенной с перегонной колбой, холодильника и колбы приемника (приложение-2).
Колбу на 0,5 л закроем резиновой пробкой с двумя отверстиями. В одно из них вставим
оттянутую на конце стеклянную трубку, которая доходит почти до дна колбы. Эта трубка
служит предохранительным клапаном. Она должна быть достаточно длинной (около 1 м).
Через другое отверстие введем короткое колено изогнутой трубки с внутренним
диаметром не менее 5 мм (лучше всего взять трубку с внутренним диаметром 8-10 мм).
Расстояние между колбами должно быть как можно короче. Более длинное колено той
же трубки вставим через отверстие в пробке во вторую колбу, так чтобы трубка тоже
доходила там почти до дна. Кроме того, с помощью стеклянной трубки соединим вторую
колбу с прямым холодильником.
Перед помещением в перегонную колбу растительное сырье тщательно измельчалось
механическим истиранием в ступке и смешивалось в перегонной колбе с небольшим объемом
воды (так, чтобы вода покрывала сухую смесь). Колбу - парообразователь заполняли на одну
8
треть водой и нагревали на электроплитке. Нагретый водяной пар интенсивно
пропускали через перегонную колбу, из которой он, вместе с парами эфирных масел поступал
в холодильник, а из него в виде конденсата – в колбу – приемник.
Общее время перегонки эфирных масел составляло около часа, при этом, время
перегонки устанавливалось весьма условно. Это связано с тем, что в растительном сырье
содержание эфирных масел достаточно не велико, и капли масла не были заметны в
образующемся дистилляте. Время окончания перегонки ориентировочно определялось по
прекращению интенсивного запаха с капли выделяющегося дистиллята.
За время перегонки в приемнике накапливается около 100 мл воды, содержащей
растворенные в ней эфирные масла.
Когда отделение эфирных масел из водного раствора прямым путем было невозможно,
применялась экстракция масел из водного раствора легколетучим растворителем (диэтиловым
эфиром или гексаном). Органическая фаза отделялась от водной с помощью делительной
воронки. Органический
раствор
оставляли
на воздухе для
медленного испарения
растворителя. Полученный остаток масла растворяли в спирте и добавляли воду как в
предыдущем случае.
Но, в случае использования при перегонке пряностей, ситуация изменяется.
Содержание в них эфирных масел значительно выше, дистиллят отгоняется в виде мутной
жидкости, и капли масла всплывали на поверхность раствора (приложение). Тогда об
окончании перегонки можно было судить по исчезновению капель в дистилляте и отгонке
прозрачной жидкости (воды).
В этом случае воду отделяли с помощью делительной воронки и в результате получим около
10 капель масла вместе с некоторым количеством воды. Полученное масло растворяли в
спирте и добавляли определенный объем воды (1 объем спиртового раствора к 5 объемам
воды).
В результате мы получили растворы душистых веществ. Следует отметить, что запахи водных
растворов, полученных при перегонке с паром, и запахи водно-спиртовых растворов, могут
значительно отличаться (таблица 1).
Таблица 1. Ароматы водных и водно-спиртовых растворов душистых веществ
Название
растительного
сырья
Лепестки роз
Корки апельсина
Водный раствор
Не ароматный запах. Ассоциируется с
запахом прелых листьев.
Приятный запах, чувствуется чистый
апельсин.
Спиртовой раствор
Очень слабый запах
травы.
Более яркий запах,
немного жесткий.
9
Название
растительного
сырья
Мускатный орех
Водный раствор
Спиртовой раствор
Запах средней чувствительности. Орех
присутствует, но еще чувствуется запах
травы.
Запах яркий, насыщенный. И напоминает
одновременно несколько специй.
Очень мягкий аромат. Ассоциируется с
печеньем, вишней, яблоком.
Запах очень мягкий и
отдаленно напоминает,
свежескошенной травы.
Гвоздика
Запах мягче ,но остался
прежним.
Корица
Более насыщенный
запах, немного по
ощущениям
агрессивный.
Асс0циируется только с
вишней.
Имбирь
Запах абсолютно не приятный.
Запах зерен.
Тмин
Немного выражен запах травы.
Запах нежный, мягкий
как будто скошенной
травы.
Листья герани
Запах ароматный, нежный. И по
Запах очень нежный и
ощущениям запах только герани.
немного выражен как
роза.
Следует также отметить, что полученные водно-спиртовые растворы уже могут быть
использованы в качестве духов. Они не окрашены, не обладают раздражающим действием.
Но, недостатком их является достаточно малая устойчивость запаха. Возможно, создание
композиций и добавление некоторых стабилизаторов запаха позволило бы устранить этот
недостаток.
2.1
Получения композиция из растворов душистых веществ.
Первая композиция: Состав: - раствор лепестков роз;- раствор мускатного ореха;- раствор
имбиря
Получили запах ассоциируемый с цветочным полем после дождя.
Вторая композиция: Состав: - раствор корицы; - раствор апельсина;- раствор гвоздики;
- раствор герани
Получили запах ассоциируемый с выпечкой с ноткой запаха шоколада.
Третья композиция: Состав: - раствор герани; - раствор тмина; - раствор мускатного ореха;
- раствор апельсина
Получили запах ассоциируемый с виноградом и яблоками.
Четвертая композиция: Состав: - раствор лепестков роз;-раствор гвоздики;- раствор имбиря
Получили запах ассоциируемый со сливой.
10
Выводы по работе.
Таким образом, в результате выполненной работы:1) проанализированы литературные
источники о химической природе запаха и составе духов;2) на основе растительного сырья и
пряностей получены водные и водно-спиртовые растворы, которые можно рассматривать как
компоненты для получения духов и композиций;3) показано, что метод перегонки с паром
является более эффективным методом для получения духов из растительного сырья, по
сравнению с методом экстракции;4) еще более лучшие результаты может дать сочетание
методов перегонки с паром и экстракции;5) запахи одних и тех же компонентов духов,
полученные на основе растительного сырья, могут отличаться в чистом виде, в водных и в
водно-спиртовых растворах;6) показано всевозможная комбинация растворов душистых
веществ для получения композиций ;
Сравнивая запах полученных духов с ароматом, купленных в магазине дорогих духов,
нельзя не разочароваться. Дело в том, что фабричным духам аромат придает отнюдь не одно
вещество. Современные духи - продукт смешения множества композиций, каждая из которых
опять-таки содержит множество душистых веществ как природного, так и синтетического
происхождения.
Вряд ли существуют в природе вещества, не имеющие запаха. Камни, дерево, материалы, о
которых мы привыкли думать, что они не имеют запаха, в соответствующих условиях свой
запах проявляют. Однако многие не ощущают или не обращают внимания на некоторые
окружающие нас запахи.
Список литературы.
1. И.И. Сидоров, Л.П. Фалеева Эфирные масла
2. М. Фримантл «Химия в действии» том 2(издательство мир)
3. М.Д Машковский «Лекарственные средства» (для врачей) часть первая.(1998)
4. Корсаков-Круп.(1930г.)(том четырнадцатый) «Большая медицинская энциклопедия.»
5. Р.А. Фридман(1984г.) «Технология косметики»
6. Л.А Хейфиц В.М Дашунин «Душистые вещества и другие продукты для парфюмерии»
(1994г.)
7. Аванта + « Химия»,Аванта + « Биология»
8. К.Н Симаков «Секреты натуральной косметики» (1997г.)
9.
А. Я. Ливишиц «Основы производства духов и другой косметики»
I
Приложение.
Приложение -1
Приложение -2
II
Фото экспериментальной часть работы.
III