Горизонты химии 21 столетия

Федеральное агентство по образованию 
российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«юЖнЫй ФедеральнЫй Университет»

Факультет химии

Горизонты химии  

21 столетия

ростов-на-дону
издательство южного федерального университета
2009

УДК 547 
ББК 24.2 
 
   Г 69 
 
Печатается по решению редакционно-издательского совета 
Южного федерального университета 
 
Научный редактор 
доктор химических наук, профессор В. А. Озерянский 
 
 
Учебное пособие подготовлено и издано в рамках национального проекта 
«Образование» по «Программе развития федерального государственного 
образовательного учреждения высшего профессионального образования 
«Южный федеральный университет на 2007–2010 гг.» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Г 69        Горизонты химии 21 столетия: Учебник / Под ред. проф. В. А. Озерян‐
ского. – Ростов н/Д: Изд‐во ЮФУ, 2009. – 656 с. 
ISBN 978‐5‐9275‐0715‐3 
В учебнике представлен цикл лекций ведущих ученых химического факульте‐
та и НИИ физической и органической химии Южного федерального университета, 
освещающих важнейшие направления и перспективы развития современной 
фундаментальной и прикладной химической науки и их связь с исследованиями, 
проводимыми в институте и на кафедрах ЮФУ. 
Адресована студентам, школьникам старших классов, специалистам, пре‐
подавателям (включая учителей и методистов химического, экологического и 
биологического профиля), а также широкому кругу читателей, интересующихся 
естественными науками, химией и ее приложениями. 
 
УДК 547 
ISBN 978‐5‐9275‐0715‐3                                                                                            ББК 24.2 
© Коллектив авторов, 2009 
© Южный федеральный университет, 2009 
© Оформление. Макет. Издательство  
   Южного федерального университета, 2009 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие .............................................................................................................. 4

Глава 1. наступает ли век нанотехнологий? важнейшие 
нанотехнологические проекты и ожидаемые риски (в. и. Минкин) ..................... 5

Глава 2. Молекулярная электроника и спинтроника. на пути к созданию 
молекулярного компьютера (в. и. Минкин) ......................................................... 65

Глава 3. инверсия традиционной классификации химических наук и новая 
иерархия общих проблем химии. «тихая революция» в химии, ее истоки. 
достижения химического синтеза и выдающиеся молекулы (в. а. коган) ..... 108

Глава 4. протонные губки в зеркале кислотно-основной теории 
(а. Ф. пожарский) ................................................................................................. 135

Глава 5. прогресс в координационной химии. стандартная и нестандартная 
координационная химия (а. д. гарновский) ....................................................... 182

Глава 6. Химико-технологический и инновационный ресурс современного 
пьезоматериаловедения (т. г. лупейко) ............................................................ 235

Глава 7. органические хемосенсоры (в. а. брень)................................................ 263

Глава 8. неклассическая структурная химия: органические  
и металлорганические соединения с нестандартной геометрией  
и гиперкоординацией (р. М. Миняев) ................................................................. 320

Глава 9. привлечение электрохимии к решению некоторых глобальных 
проблем цивилизации XXI века (в. п. григорьев) ............................................. 368

Глава 10. органические и металлокомплексные соединения с нелинейными 
оптическими (нло) свойствами (и. е. Михайлов) ............................................ 394

Глава 11. «зеленая» химия (в. а. озерянский) ...................................................... 420

Глава 12. некоторые проблемы и перспективы электрохимической  
энергетики (в. е. гутерман)................................................................................. 463

Глава 13. современная аналитика: возможности и погрешности методов 
(М. с. Черновьянц) ............................................................................................... 486

Глава 14. нуклеофильное ароматическое замещение водорода как способ 
функционализации и аннелирования гетерокольца (а. в. гулевская) ............ 504

Глава 15. биогенная эволюция химического состава окружающей среды 
(в. в. озерянская) ................................................................................................ 531

Глава 16. органический синтез. история и достижения (е. б. цупак) ................. 570

Глава 17. Молекулярный фотохромизм: проблемы и перспективы  
применения (а. в. Метелица) ............................................................................. 622

Предисловие

Химический факультет южного федерального университета в течение ряда 
лет организовывал проведение циклов лекций, в чтении которых приняли участие 
ведущие ученые нии физической и органической химии и химического факультета. лекции вызвали большой интерес не только у студентов, но также у специалистов (химический факультет, нииФоХ, физический факультет, нии физики, 
факультет высоких технологий, октб «пьезоприбор» и др.) и преподавателей. по 
инициативе академика в. и. Минкина эти лекции решено было объединить под названием «горизонты химии 21 столетия» и издать в форме учебника с тем, чтобы 
сохранить их и сделать доступными для возможно большего числа читателей.
Учебник имеет научно-образовательную направленность. его авторы, ведущие 
специалисты и доктора наук по химии, в форме лекций освещают важнейшие направления и перспективы развития современной фундаментальной и прикладной 
химической науки и их связь с исследованиями, проводимыми в нии ФоХ и на кафедрах южного федерального университета. каждая из представленных лекций 
обеспечивает широкий охват материала из определенной области химических 
знаний и сопровождается цветными иллюстрациями. наполнение разделов учебника (лекций) последними научными достижениями и графической информацией 
(схемы, цветные иллюстрации) призвано обеспечить знаниями и заинтересовать 
молодых ученых, школьников, студентов и специалистов в смежных областях проблемами химической науки, способствовать повышению статуса естествознания. 
Это – главная задача, которую преследует учебник.
книга будет полезна не только студентам и школьникам старших классов, но 
также специалистам и преподавателям, включая учителей и методистов химического, экологического и биологического профиля. благодаря доступному языку, 
междисциплинарности излагаемого материала и оригинальным иллюстрациям, 
учебник будет интересен и понятен широкому кругу читателей, интересующихся 
естественными науками и, прежде всего, химией.
настоящее издание стало возможным в результате реализации внутреннего 
проекта юФУ (грант № к-07-т-21).
В. А. Озерянский
Ростов-на-Дону,
декабрь 2007

Глава 1 

НАстуПАЕт ЛИ ВЕк НАНОтЕхНОЛОГИй?  

ВАжНЕйшИЕ НАНОтЕхНОЛОГИчЕскИЕ ПрОЕкты  

И ОжИдАЕмыЕ рИскИ

В. И. минкин

Научно-исследовательский институт физической и органической 
химии Южного федерального университета

Что такое нанотехнология? государственная поддержка и развитие нанотехнологий в россии и за рубежом. наноструктуры: их масштаб, почему они обладают особенными свойствами? размерные эффекты. инструментарий нанонауки и 
нанотехнологии. Методы создания наноструктур и наноматериалов: методологии 
«сверху – вниз» и «снизу – вверх». необычные функциональные свойства наноматериалов. наномоторы и наномашины. наномедицина: нанолекарства, нанодиагностика, нанотерапия. потенциальные риски внедрения и развития нанотехнологий: угрожает ли нашей цивилизации наступление сингулярности?

1. что такое нанотехнология?

среди химиков и материаловедов популярным является деление эпох развития цивилизации в зависимости от типа основного материала, используемого 
для создания орудий производства (рис. 1). нынешнее 21-е столетие ознаменовано появлением новых материалов, создаваемых из наноразмерных элементов 
(нано – одна миллиардная часть) и связанных с их получением новых технологий – нанотехнологий. Что же представляют собой нанотехнологии, почему простое уменьшение размера объектов до нанометрового масштаба (1 нм = 10–9 м) 
приводит к революционным изменениям их свойств и открывает удивительные 
перспективы перед современной наукой и техникой?
«тут половина не знает, что такое нанотехнологии. но все знают, что без этого 
уже жить нельзя» – этими словами, обращенными к министрам, открыл посвященное задаче развития нанотехнологий заседание правительства российской Федерации, председатель правительства М. е. Фрадков в сентябре 2006 г.1 не столь 
загадочным представляется определение нанотехнологии химикам. «… рад тому, 
что для химии люди нашли новое название» – так высказался по этому поводу 
нобелевский лауреат роальд Хоффманн2. действительно, нанометровая шкала  
(1 нм = 10 Å) – это масштаб размеров атомов и молекул – основных объектов 
химической науки, тех кирпичиков материи, которые выбраны природой для функционирования живых организмов. именно в интервале наноразмеров, т. е. на

1 цитируется по журналу итоги № 39 (537) от 25.09.06.

2 URL: http://www.roaldhoffmann.com

Горизонты химии 21 столетия

каменный век 
~2500–3000 до н. э. 
бронзовый век 
~2500–3000 до н. э.
Железный век 
~1000 до н. э. – 350 н. э.

21-й век – век наноматериалов и нанотехнологий?

рис. 1. Материалы и орудия человечества: от каменного века до нашего времени:
а)  электронный загон, образованный атомами железа, нанесенными на поверхность 
сu(111) при помощи сканирующего туннельного микроскопа, электроны циркулируют только внутри загона;
б) нанопровода толщиной в 6–10 атомов диспрозия на кремниевой подложке;  
в) «гороховый стручок» – молекула фуллерена с60 внутри углеродной нанотрубки;  
г) квантовая точка – пирамида из ~20 атомов германия на кремниевой подложке

молекулярном уровне, природа программирует основные свойства веществ, явлений и процессов, поэтому химия занимает центральное положение в системе 
естественных наук, соединяя физику и биологию – науки о неживой и живой природе. две главные ветви современной химии – это создание материалов с акцентом на новые высокотехнологичные материалы и химия живых организмов, широкий спектр исследований, охватывающий природу наследственности и строение 
генома, механизмы работы энзимов, направленное создание лекарств и пр. Эти 
две ветви смыкаются в быстро прогрессирующей в настоящее время области науки и производства, которые определяются как нанонаука и нанотехнологии.

Глава 1. Наступает ли век нанотехнологий?…

конечно, понятие нанотехнологии, кроме указания на размеры объектов, 
должно содержать и формулировку задачи, стоящей перед этим родом деятельности. исходное определение нанотехнологии было дано японским инженером и 
ученым н. танигучи в его лекции, озаглавленной «об основных концепциях нанотехнологии», на конференции по прецизионной инженерии в 1974 г. согласно 
определению н. танигучи нанотехнология – это «производственная технология, 
предназначенная для получения изделий с экстра высокоточными и ультратонкими размерами, порядок которых соответствует 1 нанометру». о темпах развития 
нанотехнологий и тенденциях мирового производства наноматериалов и нано- 
устройств можно судить по данным, представленным в табл. 1.

Таблица 1 

мировая продукция материалов и наноустройств (тонны/год)  
по оценкам Королевской инженерной академии Великобритании  
(www.nanotech.org.uk)

приложения
Материал/устройство   
2003–2004 2004–2006 2011–2020

структуры
керамика, катализаторы, пленки, 
покрытия, композиты,
нанопорошки, металлы
10
103
104–105

Электроника
нанотрубки, нанотранзисторы, 
оптоэлектроника (TiO2, ZnO), светодиоды, квантовые точки 
10
102
>103

биотехнологии

биосенсоры, имплантанты, адресно доставляемые лекарства, инкапсулаты
<1
1
10

техника, инструменты
сканирующая зондовая микроскопия, нанолитография, 
10
102
103

Экология
нанофильтрация, мембраны
10
102
103–104

2. Государственная поддержка и развитие нанотехнологий  
в россии и за рубежом

сШа стали первой страной, руководство которой осознало значение нанотехнологии как важнейшей государственной программы. в 2001 г. президент 
б. клинтон объявил начало программы «национальная нанотехнологическая инициатива» (NNI) с бюджетом 464 млн долл. сШа и продемонстрировал эмблему 
программы (рис. 2), ставшую символом нового направления науки, техники и их 
приложений в самых различных областях. важно обратить внимание на то, каким 
образом организована инфраструктура программы. для ее реализации созданы 
15 так называемых центров превосходства, задачей которых являются мультидисциплинарные исследования, партнерство с промышленностью и бизнесом и, 
в итоге, создание эффективной структуры, обеспечивающей вертикальную интеграцию фундаментальных исследований, получение, производство и приложения 
работающих наноустройств [1].

Горизонты химии 21 столетия

 
в 2003 г. президент сШа дж. буш подписал закон «акт об исследованиях и развитии нанотехнологии в 21-м столетии», 
согласно которому федеральный бюджет 
выделяет на эти цели 3.7 млрд долл. сШа 
на 2003–2006 гг. в 2007 г. 12 государственных агентств сШа получили для развития 
нанотехнологий 1392 млн долл. сШа. 
при этом наибольшие вложения были направлены на фундаментальные исследования (373 млн долл. для национального 
научного фонда NSF) и для целей министерства обороны (417 млн долл.)1. известно, что инвестиции бизнес-структур 
сШа существенно превышают указанную 
величину [1]. по прогнозу национального 
научного фонда сШа в 2015 г. продукты и 
услуги, произведенные с применением нанотехнологий, охватят рынок в 1 трлн 
долл., что сделает эту область самой быстрорастущей в истории [4]. примерно в 
1 млрд долл. сШа ежегодно оцениваются инвестиции в развитие нанотехнологий 
в Японии и европейском союзе. для южной кореи и китая эта цифра находится 
в районе 700 млн долл. сШа [1–3]. в 2006 г. к странам-лидерам в развитии нанотехнологий присоединилась россия, где дан старт национальному проекту «стратегия развития наноиндустрии». до 2015 г. на нанотехнологии и наноиндустрию 
намечено ассигновать около 7.7 млрд долл. сШа. проект предусматривает формирование инфраструктуры национальной нанотехнологической сети, задачей 
которой является координация работ и концентрация ресурсов на приоритетных 
направлениях исследований и разработок.

3. Наноструктуры: их масштаб, почему они обладают  
особенными свойствами? размерные эффекты

главная характеристика нанообъекта – это его размеры. наноструктура  имеет, по меньшей мере, один размер в диапазоне 1–100 нм. диаметр спиральной 
нити днк или одностенной углеродной нанотрубки примерно в 50 000 раз меньше 
диаметра сечения человеческого волоса, а на площади этого сечения можно записать до 250 млн нанобукв (300 книг по 300 стр.). рис. 3 позволяет сопоставить 
масштабы типичных наноструктур и объектов макро- и микромира.
принято классифицировать наноструктуры в зависимости от числа характеризующих их наноскопических размеров, как показано на рис. 4. при плавном уменьшении размеров твердого образца от макро и микроразмеров (метры, сантиметры, миллиметры и микроны) до еще меньших все свойства (точка плавления, 

1 URL: http://pubs.acs.org/cen/_img/85/i15/8515tableLg.gif

рис. 2. Эмблема программы «национальная нанотехнологическая инициатива» сШа. аббревиатура программы записана буквами, составленными 
из 112 молекул со, которые нанесены 
на медную подложку при помощи сканирующего туннельного микроскопа

Глава 1. Наступает ли век нанотехнологий?…

Нить спирали ДНК 
Диаметр ∼ 2нм
4 х 3 нм буквы (молекулы СО) на Си подложке

рис. 3. сравнительный масштаб макро-, микро- и нанообъектов

рис. 4. полученное при помощи сканирующего туннельного микроскопа изображение 
пленки золота (зерна высотой до 150 нм), напыленной на германиевую подложку. структура имеет один наноразмер и определяется как квантовая яма. квантовая проволока 
(см. рис. 1, б) – два наноразмера и квантовая точка (см. рис. 1, г) – все три размера 
имеют наноскопический масштаб

1 mm

0 mm

2 mm

Au/Ge

0nm

75nm

150nm 

квантовая яма
квантовая проволока
квантовая точка

Горизонты химии 21 столетия

электропроводность, твердость) сначала остаются неизменными, затем начинают медленно меняться, а при размерах меньше 100 нм могут измениться радикально. Можно выделить две важнейшие причины особых свойств нанообъектов. 
во-первых, приближаясь по размерам к атомам и молекулам, – а это квантовые 
объекты, – наночастицы обнаруживают квантовомеханические эффекты, что приводит к новым физическим явлениям и новым характеристикам наноматериалов 
по сравнению с теми же материалами большего размера. кроме того, наноразмерные материалы обладают намного более увеличенной поверхностью, а находящиеся на поверхности образца атомы и молекулы имеют некомпенсированный 
валентный и электрический потенциалы. в сочетании с резко увеличенной концентрацией оказавшихся на поверхности центров взаимодействия это приводит к 
резкому усилению активности наноматериалов в таких проявлениях, как катализ, 
усвоение лекарств и пр. в объемном образце металла электроны делокализованы. при уменьшении хотя бы одного размера до расстояний, лишь в несколько 
раз превышающих расстояния между атомами, делокализация становится невозможной, и электроны оказываются локализованными по меньшему измерению, 
оставаясь делокализованными в плоскости. такие структуры отвечают определению квантовой ямы. в квантовой проволоке электроны свободно движутся вдоль длины проволоки, тогда как в квантовой точке электроны полностью 
локализованы во всех трех измерениях. такая ситуация соответствует нахождению электронов в потенциальной яме, и это означает, что энергетические уровни 
электронов проводимости дискретны [5]. именно поэтому, обеспечив условия для 
инверсной заселенности электронных уровней, можно создавать эффективные 
лазеры на квантовых точках, а сами квантовые точки можно интерпретировать как 
своеобразные искусственные атомы или молекулы.
объекты, размеры которых меньше 100 нм, могут обладать физическими и 
химическими свойствами, отличающимися от свойств объемного материала. они 
демонстрируют иную физику и химию, что объясняется появлением у наночастиц 
квантовых и, следовательно, волновых свойств при достижении размеров менее 
некоей критической величины. последняя определяется в соответствии с постулатом л. де бройля (1924 г.), известным под названием дуализм волна-частица.

 
λ = h / p = h / mv, 
(1)

где λ – длина волны; h – константа планка (6.6260693·10–34 дж·с); p – импульс;  
m – масса и v – скорость объекта.
для тел большой массы, как тело человека, длина волны де бройля пренебрежимо мала, примерно 10–35 м, а для свободного электрона это уже 10–11 м 
(т. е. всего 10–2 нм), что объясняет феномен дифракции (т. е. проявление волновых свойств) электронов. в полупроводниках длины волны электрона и дырок 
имеют порядок микрона, т. е. 1000 нм. особенно важно изменение электронного строения наночастиц, отражающее возникновение у них квантовых свойств. 
Это видно на примере изменения картины электронных уровней металлов при 
уменьшении количества атомов в образце (рис. 5). в отличие от объемного образца, в котором смыкаются валентная зона и зона проводимости (каждая из