Διεθνές Έτος Χημείας 2011

Όλοι οι πολιτισμοί, από την αρχαιότητα έως σήμερα, έχουν χρησιμοποιήσει τα αρώματα για διάφορους σκοπούς. Η χημεία των αρωμάτων είναι ένα συναρπαστικό μίγμα της χημείας των φυσικών προϊόντων καθώς και της συνθετικής, αναλυτικής και φυσικής χημείας σε συνδυασμό με μια δόση δημιουργικής φαντασίας για τις διάφορες οσμές και μοριακές δομές [1-5].

Κατά την ευρύτερη έννοια, όλες οι ενώσεις που φέρουν μια μυρωδιά μπορούν να θεωρηθούν ότι ανήκουν στην κατηγορία των αρωμάτων. Οι ενώσεις που μυρίζουν έχουν τάση ατμών επαρκώς υψηλή και συνήθως πρόκειται για ενώσεις μοριακού βάρους μέχρι περίπου 300 και σχετικά μικρής πολικότητας.

Ένα λάθος που γίνεται συχνά είναι ότι μόνο οι ενώσεις με ευχάριστη οσμή θεωρούνται ότι ανήκουν στη σφαίρα των αρωμάτων. Γενικότερα, όχι μόνο η ευχάριστη οσμή είναι μια πολύ υποκειμενική έννοια, αλλά αρωματικές συνθέσεις συχνά περιλαμβάνουν ενώσεις, οι οποίες σε υψηλότερες συγκεντρώσεις ή σε καθαρή μορφή έχουν απωθητικές μυρωδιές. Εξάλλου, η χημεία των αρωμάτων ασχολείται και με κακοσμίες προκειμένου να μπορέσει να τις αναλύσει και να τις αντισταθμίσει π.χ. η άσχημη μυρωδιά του ιδρώτα είναι ένα θέμα που την αφορά.

Πριν από την έλευση της οργανικής σύνθεσης, τα αρώματα βρισκόντουσαν σε μορφή ελαίων, βάλσαμων, εξιδρωμάτων κλπ. Με την ανάπτυξη της οργανικής σύνθεσης κατά τη διάρκεια του 19ου αιώνα, συνθετικά αρώματα άρχισαν να εμφανίζονται στη βιβλιογραφία και στην αγορά: η κουμαρίνη 1 (1866), η σαλικυλική αλδεΰδη 2 (1876), η βανιλλίνη 3 (1876), η φαινυλακεταλδεΰδη 4 (1883), η πιπερονάλη 5 (1890), το νιτρο musk ξυλόλιο 6 (1891), η β-ιονόνη 7 (1893).

Από εκείνη την εποχή, πολλά έχουν επιτευχθεί τόσο στην κατανόηση της βιολογίας της οσμής και της όσφρησης, όσο και στην ανάπτυξη νέων και μοναδικών αρωμάτων. Τα τελευταία 100 χρόνια, οι οργανικοί χημικοί πρόσφεραν στους αρωματοποιούς ενώσεις όμοιες με τις αντίστοιχες φυσικές πρώτες ύλες σε υψηλή και σταθερή ποιότητα και ταυτόχρονα σε χαμηλές τιμές, π.χ. λιναλοόλη 8, κιτράλη 9, α- και β-ιονόνη 10 και 7 αντιστοίχως.

Επιπλέον, άγνωστα συνθετικά μόρια με νέα χαρακτηριστική οσμή έχουν γίνει πλέον διαθέσιμα προσφέροντας νέες δυνατότητες για δημιουργία αρωμάτων, π.χ. η μεθυλοϊονόνη 11, ένα μη φυσικό ομόλογο των 7/10, περιγράφηκε για πρώτη φορά το 1893 ως ισχυρότερο των α- και β-ιονονών 10 και 7. Η αιθυλοβανιλλίνη 12 (1894) έχει επίσης εντονότερη μυρωδιά από το φυσικό ομόλογο της 3. Και οι δύο παραπάνω ενώσεις έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς στη δημιουργία του αρώματος «Shalimar» (Guerlain, 1925).

Το όργανο της όσφρησης στον άνθρωπο είναι ο οσφρητικός βλεννογόνος που περιλαμβάνει το οσφρητικό επιθήλιο, χόριο και αδένες και βρίσκεται στην οροφή της ρινικής κοιλότητας [6].

Στο οσφρητικό επιθήλιο εδράζονται τα κύτταρα υποδοχείς της όσφρησης που αποτελούν και τους πρώτους οσφρητικούς νευρώνες. Κάθε κυτταρικός νευρώνας στενεύει σε άξονα και καταλήγει σε ένα δενδρίτη στην επιφάνεια του επιθηλίου. Οι άξονες των οσφρητικών υποδοχέων συνάπτονται στον οσφρητικό βολβό. Οι δενδρίτες τερματίζουν στο οσφρητικό κομβίο με χαρακτηριστικούς κροσσούς που καλύπτουν την επιφάνεια του επιθηλίου. Τα κύτταρα τους έχουν τα απαραίτητα συστατικά για να μετατρέψουν τη χημική οσμή σε ηλεκτρικό σήμα μέσω μιας τύπου καταρράκτη διαδικασίας.

Γενικά γίνεται αποδεκτό ότι η αλληλεπίδραση των οσμογόνων μορίων με την πρωτεΐνη υποδοχέα οδηγεί σε ενεργοποίηση της επονομαζόμενης G_olf πρωτεΐνης, η οποία ενεργοποιεί το ένζυμο αδενυλική κυκλάση που παράγει μεγάλες ποσότητες cAMP. To τελευταίο ανοίγει τον δίαυλο κατιόντων, τα οποία μετατοπίζουν το δυναμικό της μεμβράνης σε θετικότερες τιμές με αποτέλεσμα τη μεταφορά ηλεκτρικού σήματος στον εγκέφαλο.

Διαδικασία μεταγωγής οσφρητικών σημάτων.

Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των Linda Buck και Richard Axel, οι οποίοι τιμήθηκαν με το βραβείο Νobel Ιατρικής το 2004 για τη συνεισφορά τους στη διευκρίνηση του μηχανισμού της λειτουργίας της όσφρησης [7], μια μεγάλη ομάδα γονιδίων (περίπου χίλια) είναι υπεύθυνα για την παραγωγή πρωτεϊνών-ειδικών υποδοχέων. Οι υποδοχείς αυτοί εδράζονται στα κύτταρα υποδοχείς του οσφρητικού επιθήλιου.

Κάθε κύτταρο διαθέτει ένα μόνο είδος υποδοχέα και κάθε υποδοχέας έχει την ικανότητα να συνδεθεί με ένα περιορισμένο αριθμό οσμογόνων ουσιών. Με τον τρόπο αυτό κάθε κυτταρικός υποδοχέας είναι εξειδικευμένος στην αναγνώριση ενός μικρού αριθμού οσμών. Από την άλλη πλευρά, κάθε οσμογόνος ουσία ενεργοποιεί ένα διαφορετικό αριθμό κυττάρων υποδοχέων. Ο συνδυασμός αυτός είναι μοναδικός για μια οσμή και αποτελεί μια μορφή κωδικοποίησης στον εγκέφαλο.

Αν και τα κύτταρα υποδοχείς μιας συγκεκριμένης οσμογόνου ουσίας είναι διάσπαρτα στον οσφρητικό βλεννογόνο, οι νευρικές τους απολήξεις συνάπτονται σε συγκεκριμένες θέσεις στον οσφρητικό βολβό. Με τον τρόπο αυτό η περιφέρεια του οσφρητικού βολβού χρησιμεύει σαν ένας δυσδιάστατος χάρτης με τη βοήθεια του οποίου ο εγκέφαλος, ανάλογα με τις περιοχές των συνάψεων που ενεργοποιούνται, αναγνωρίζει ποια οσμογόνος ουσία συνδέθηκε στο οσφρητικό επιθήλιο.

Όταν κάποιος μυρίζει ένα μίγμα με διάφορα οσμογόνα συστατικά τότε δημιουργείται στον οσφρητικό βολβό ένα σύνθετο αλλά επαναλήψιμο αποτύπωμα, που επιτρέπει την αναγνώριση της προέλευσης του μίγματος. ΄Ετσι π.χ. είναι διακριτές οι οσμές του τριαντάφυλλου (rose) και του πορτοκαλιού (orange).

Η γνώση του μηχανισμού της όσφρησης και κυρίως του πρώτου σταδίου δηλαδή της αναγνώρισης των οσμογόνων μορίων από τα κύτταρα υποδοχείς στο οσφρητικό επιθήλιο μπορεί να αποτελέσει τη βάση για τον σχεδιασμό και τη σύνθεση νέων και πιο αποτελεσματικών πρώτων υλών για την αρωματοποιία.

Αν και έχουν σημειωθεί σημαντικά βήματα στη μελέτη της δέσμευσης και της συμπληρωματικότητας διαφόρων πιθανών οσμογόνων μορίων από συγκεκριμένους γνωστούς υποδοχείς, για την αναζήτηση νέων αρωματικών ουσιών περισσότερες πρακτικές εφαρμογές βρίσκει η προσέγγιση, που στηρίζεται στη μοριακή ομοιότητα μεταξύ μορίων που έχουν την ίδια οσμή.

Κατά αναλογία με τον ευρέως διαδεδομένο όρο φαρμακοφόρο χρησιμοποιείται ο όρος οσμοφόρο και καταγράφονται δεδομένα σχέσης δομής-οσμής (Structure-Odor Relationship SOR). ΄Eτσι έχουν προκύψει κανόνες και εμπειρικά ή ημιεμπειρικά μοντέλα, στα οποία δίνονται τα απαιτούμενα γενικά μοριακά χαρακτηριστικά όπως υδρόφοβες ομάδες, δότες και δέκτες δεσμών υδρογόνου για μια συγκεκριμένη οσμή [6-8].

Για την πρόβλεψη της στερεοχημείας μιας κατηγορίας ενώσεων με οσμή τύπου κεχριμπαριού χρησιμοποιείται και ο τριαξονικός κανόνας. Ο κανόνας αυτός ορίζει ότι προκειμένου να επιτευχθεί μία τέτοια οσμή, η ένωση πρέπει να αποτελείται από ένα trans δεκαμελές σύστημα. Επιπλέον, εάν το trans δεκαμελές σύστημα περιέχει έναν μεθυλο υποκαταστάτη σε άνθρακα ο οποίος συμμετέχει σε γέφυρα, πρέπει να υπάρχει στην ισημερινή θέση 8 ένα άτομο οξυγόνου. Αντιθέτως, όταν το σύστημα είναι cis δεκαμελές, ή όταν στη θέση 8 υπάρχει ένα αξονικό οξυγόνο, η ένωση θα έχει μειωμένη ένταση οσμής ή μπορεί να είναι και άοσμη.

Τριαξονικός κανόνας για ενώσεις με οσμή τύπου κεχριμπαριού.

Δύο μυρωδιές που βρίσκουν εξέχουσα χρήση στον τομέα της χημείας των αρωμάτων και έχουν μελετηθεί εκτενώς κατά τη διάρκεια του περασμένου αιώνα είναι του τύπου κεχριμπαριού (amber) και του μόσχου (musk). Οι δυο αυτές χαρακτηριστικές μυρωδιές αποτέλεσαν ένα απαραίτητο βήμα για την αναζήτηση νέων και μοναδικών αρωμάτων.

Οι ενώσεις με οσμή τύπου κεχριμπαριού έχουν μια εξωτική, ξυλώδη οσμή θυμιάματος. Υπάρχουν πολλά σκευάσματα με την οσμή αυτή, που κυκλοφορούν ως έλαια κεχριμπαριού και τα οποία αποτελούνται από διάφορες φυσικές ρητίνες ή και συνθετικά συστατικά.

Το πρώτο και γνήσιο έλαιο κεχριμπαριού είναι το λεγόμενο γκρίζο κεχριμπάρι (ambergris) και είναι μια κηρώδης ουσία που επιπλέει στους ωκεανούς και προέρχεται από τις εκκρίσεις του λεπτού εντέρου της φάλαινας. Συλλέγεται σε στερεά μορφή, αναδίδει μία θαλασσινή μυρωδιά και είναι μία από τις ακριβότερες πρώτες ύλες.

Η πιο σημαντική εμπορικά διαθέσιμη χημική ένωση στην κατηγορία των αρωμάτων αυτών είναι ο τρικυκλικός αιθέρας (-)-Ambrox 18. Συντίθεται από το διτερπένιο σκλαρεόλη (sclareol) 13 [2], η τιμή του είναι περίπου 1000 $ το κιλό και η ετήσια κατανάλωση ανέρχεται σε 15-20 τόνους.

Σύνθεση της ένωσης (-)-Ambrox 18 από τη σκλαρεόλη 13.

Υπάρχουν τέσσερις κύριες κατηγορίες ενώσεων που εμφανίζουν οσμή μόσχου: τα μακροκυκλικά (κετόνες και λακτόνες), τα στεροειδή, τα πολυνιτρο παράγωγα του βενζολίου και οι μη νιτρο αρωματικές ενώσεις. Η μουσκόνη και τα άλλα παράγωγα που μοιάζουν με αυτή έχουν προέλθει από το ζωϊκό βασίλειο, ενώ οι λακτόνες έχουν απομονωθεί από τα φυτά. Τα στεροειδή και οι μη αρωματικές ενώσεις αποτελούν τους κύριους εκπροσώπους, τα τελευταία χρόνια όμως λόγω της χαμηλής βιοδιασπασιμότητας τους και της τάσης τους να βιοσυσσωρεύονται έχουν προκαλέσει ανησυχία. Τέλος, η τάξη των πολυνιτρο παραγώγων του βενζολίου ανακαλύφθηκε τυχαία κατά τη διάρκεια της αναζήτησης νέων εκρηκτικών πριν από εκατό χρόνια, όμως στη δεκαετία του '80 η χρήση τους άρχισε να μειώνεται δραματικά και ο λόγος ήταν τοξικολογικός.

Κατηγορίες ενώσεων με οσμή μόσχου.

Η χημεία των αρωμάτων είναι ένα διαρκώς μεταβαλλόμενο πεδίο το οποίο εξαρτάται από τις τάσεις της εποχής. Οι πρόσφατες τάσεις περιλαμβάνουν λουλουδένια, φρουτώδη, πικρά κλπ. αρώματα.

Tα λουλουδένια αρώματα αποτελούνται κυρίως από μονοτερπένια και καροτένια. Το τριαντάφυλλο είναι σήμερα μια σημαντική μυρωδιά στην τάξη των λουλουδένιων αρωμάτων για τη βιομηχανία. Μια μέθοδος για την περαιτέρω αύξηση της διάρκειας του πάνω στο δέρμα είναι η υποκατάσταση της φαινυλο ομάδας από το ισοβουτυλένιο στην ένωση Doremox 23, όπου η αλλαγμένη μορφή της, rose oxide 24 χρησιμοποιήθηκε στα αρώματα «Rive Gauche» (St. Laurent, 1971), «Metal» (Paco Rabanne, 1979) και «Drakkar Noir» (Guy Lauroche, 1982).

Άλλες εμπορικές ενώσεις που έχουν χρησιμοποιηθεί σε αυτήν την κατηγορία αρωμάτων είναι : η α- και β-Dynascone 25-26 στο «Cool Water» (Davidoff, 1988), η Isodamascone 27 στο «Burberrys» (Burberrys, 1992), η Hedione 28 στα «Eau Sauvage» (Dior, 1966), «First» (Van Cleef & Arples, 1976) και «Cristalle» (Chanel, 1993), η Hedione HC 29 στο «CKone» (Calvin Klein, 1994), η Lilial 30 στα «Paco Rabanne» (Rabanne, 1973) και «Calyx» (Prescriptives, 1987).

Ενώσεις με οσμή λουλουδιών.

Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα από τα φρουτώδη αρώματα που έχει ολοένα και αυξανόμενη δημοτικότητα κατά την τελευταία δεκαετία είναι το αχλάδι. Μια ένωση με τέτοια μυρωδιά όπως ο οξικός εξυλεστέρας, εισήχθη για πρώτη φορά στην αγορά των προϊόντων προσωπικής υγιεινής από τη L'Oreal στο σαμπουάν «Elseve alpha jojoba" που θεσπίστηκε το 1995.

Παρομοίως η ένωση Anapear 31 η οποία ανακαλύφθηκε από την Roman Kaiser of Givaudan-Roure International, χρησιμοποιήθηκε ως συστατικό στο άρωμα «Obsession Night» (Calvin Klein, 2005).

Τα πικρά αρώματα είναι δημοφιλή για πάνω από μια δεκαετία και βρίσκονται σε μια μεγάλη ποικιλία προϊόντων. Κατά τη διάρκεια αναζήτησης μιας καινούργιας ένωσης που θα είχε άρωμα βανίλιας αλλά δε θα προκαλούσε αποχρωματισμό, ανακαλύφθηκε η Methyl Diantillis 32. Παρόλο που η δομή της είναι παρόμοια με τη βανιλλίνη 33, διαθέτει μυρωδιά που μοιάζει αρκετά και με εκείνη της λευκής σοκολάτας.

Η χημεία των αρωμάτων είναι μια επιστήμη βιομηχανικής σημασίας που απαιτεί συνεχή προσπάθεια για τη δημιουργία νέων και μοναδικών οσμών.

Αν και έχουν γίνει σημαντικά επιτεύγματα στη διευκρίνησης του μηχανισμού της όσφρησης, τα αποτελέσματα για τη σχέση δομής-οσμής είναι σχετικά περιορισμένα.

Η ανακάλυψη νέων οσμών απαιτεί όχι μόνο ορθολογικό σχεδιασμό μέσω μοριακών ομοιοτήτων αλλά και παράθεση φρέσκων ιδεών με στόχο τη σύνθεση νέων προϊόντων.