MOLECULAR SENSORS AND MOLECULAR LOGIC GATES

Post on 11-Feb-2022

8 views 0 download

Transcript of MOLECULAR SENSORS AND MOLECULAR LOGIC GATES

V. Bojinov, N. Georgiev

3

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 1, 2011, 3-26

MOLECULAR SENSORSAND MOLECULAR LOGIC GATES

(REVIEW)

V. Bojinov, N. Georgiev

University of Chemical Technology and Metallurgy

8 Kl. Ohridski, 1756 Sofia, Bulgaria

E-mail: vlbojin@uctm.edu

ABSTRACT

���������������� ���� ����������������������� ������������������� ��� ��������� ������� ����� �

�������������������������������� ����� ����������� ������������ ���� ������� ������������ ����������������������

������� ��������������������� ���������� � ������������������������������������������� ���������������������

������������ ����������������������� ����� ��������� ����� ���� ������ � �� ����������� ������������������

���������� ���������� � ��������������� �������� ����� ������������ ����� ��������� ���� �� ����������� ������

������� �������������������� ��� ������������������������������������� ���� �� �

������!������� ��������������� �������� ���������� ������������ ��� ����������� ������� �������� ����

���������� ���������� �� ���������� � ���

Received 20 January 2011

Accepted 18 February 2011

INTRODUCTION

���������� ��������������������������

������������������� ���������������������� ��

������������������������������������� �������

���������������������������������������� ��

���� ��������������������� ����������������

������������������������������������������ ����

���������������������������������������������

����������������� !"�#���������������������

������������������ ���������������$ ������ �����

��� ���������� �������� �� ������������ ��������

�������������������������������������������

� ����� ��������������� ��������� �����������

���������������������������������������������

����������������������������������������

����������������������������������������������

��������� ������������������������������������

������������������������������ ������

�� �������� �� ������������ �� �� �������������

�������������������������������������������

�����������������������������������������������

����� ���������������������������������������

�������������������������������������������

����� ������������ ��������������� %"� &�����

�������������������������������������� ���

������������������� ��������������������������

��������������������������������� �����������������

��������������� ���������������������������������

�������������������������������������������������

����������������������� '"�(���������� ������

����� ���������������)��������������������������

���������������� ��������������������������

�������������������������������������������

��������������� ��������������������������

�����������������������������������*�����������

����������������������+�����������������

��������������������� ���� ���������������������

��� ������,������ ������������� � �� ��� �����

������������������������������������-./���

-!/�����������(���������������������������

�������������������������������������������

���������� ��� ���������������������������������

0"� (�������� ���� ��� ����� ������ �� �����

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 1, 2011

4

����������������������������������������������

-���/���-��/����������-���/���-��/���������

�����������-./���-!/�����+�����������������

�������������������

MOLECULAR SENSORS�����������������������������������������

�� ��������������������� ���� ����������������

��������������� �����������������������������

�������������� ����������������������

����� ��������� 1�2"� &������������� �� ��� ����

�������������� �� ����� �������-���/���-��/

���������������-����/������������������������

����������������������������������������������������

�����������������������������������������

����������������-�����/������������������

���������� 3�!2"�

��� ������ ������������������ � ���� �

����-���������������������/����������� ����

���������������������������������������������

����������������������������������������������

����������������������-������������/���

���������������� �� ������������������������

���)�������������������������4-�������/�������

��������������� !3"�������������� �����������

�������������������������������� ����������������

�������������5�������������������������������

������������������������������������������

����������������������������������������������

�����������������������- �������/���������������

�������������������� ������������������������

�������� ����������� �������� ��������� ��� ���

�������������������������������������

(���������������������������������������

������������ ����������������������������

����� ��� ����� �� ��������� ������� �� ���� ��

��������������������������������������������

���������������������������������������

��������������������������������������������

�������������������������������������������������

����������� ��� ��� ��������� �� ��� ���� �� ���

�����6������������������������������������

���������������������������������� 2�!2"�7������

�� ������ ���� ������������ ��� ������ ����� �����

������������������������������������������

����8���������������������������������������

������� ����������������������������������������

������������������������������������������

�����������������������������

�����������������������������������������

������������ �� ������ ������ ��������������

��������������������������������������������

����������������������� ����������������������

����������������������������������������������

�����������������������������������������������

�������������������������+��������� ������������

��������� %."�����������������������������

����������������������������������

�������������������������������������

����������������������������� ��������������

�������������������9�������������������������

��������������������������:���������� ������

������������������������ ���������������������

�������������������������������+���������� �

������ ���������������������������������

������������������������������������� �������

����� ���� ��� ����� �� �� ���������� ������ ���

��������������������������������������������

���

7���������������������������������������

�������������������������������������������

������� �����������������;������������������<

������������� ������������� ��������� �� ���

������������������������������������������7������

���������������������������������������������

���� �;����<������������������ �� ���������������

������������������������������������������

����������� ������������� %!�%%"� 7� �������� �� ��

�������������������������������������� ���������

������������������

������������������������������ �������

���������������������������������� ��������

����������� ���������� ������������;����������<�

��������� �����;�������������������������������

����<����������

��� ����� �� ���������� ���� � ����5��

�������������������������������������������

������������������������������������������� �����

���������=�����������������������������������

��������������������������������6������;>?�

*?�=?�@?���%?�(�%?�A�%?�B�%?���%?�#�'?���'?�

����<������;������������������������������������

����<����������������;��������������������<���

���;C%��C

%�=C�����<�

V. Bojinov, N. Georgiev

5

(������������������������������������

�������-��/���-���/����������� ������������

������������������������������������������4

������������ �������� ������� ;B$�<� ������������

�������������;B��<��������������;$�<����������

������������������������������������� %'"�����

�����������������������������������������

����������������������������������������������

������������������ �����������������������

� ����������

��� ��� ������ ��� ���� �� �����������

�������������������������������������������

������������������������ ������������������

��������C���������������������������������

����������������������������� �������������

����������������������������������������������

;B$�<���� ��� -����������� �����������/ ������

�����������������������������������������

�������������������������������� %'�%D"�

7����������������������������������������

��������������������������������5��������

����������������������������������������

C����������������5��������������������������

���� � ������ �� �� �� �������)������������

���������������������������������������������

����������������������� ���������������������

������������������;��������������������������<

�������������� ������������� ���������

��� ���� �� ���� ����� �� � �����������

������������������;�������������������<�E���

Fig. 1. PET mechanism.

����������������������������������������������

�������>C(C������������������������>C(C

�������������;�����������<�������������������F�

����������9���������������������������������

������������������������������������������

>C(C������������������������������������

���������������������������F�����������>C(C

�� �������� �� ��� ����������� ;����!<���� ����

������������������������������� %G"�

(�����������������������������������

��� ���������� &������ ��� ��� ��� � ����� �� �� ���

������������������������������������������������

#������������������������ %2"������������

������������������������������������B�����

����� %3�'."���������� '!"���� '%"�����������

''�'0"����������� '1�'D"�������������������� �

��������������;&�����!<�

=���������������� ��� ����������������

�� ����������������� ������������ 'G�'2"�,�����

���������������������������������������������

����������!�2������������������ ��� ��� ������

����������������������������������������������

����������������������������� '3�03"��������� �

����� 1.�1!"�������������������������� 1%"����

�������� ����� 1'" ��� �������� ���������� 10"�

������������������ 11�1D"�����������������������

���� 1G�12"���+��������������� 13"��������� D."�

��������������������������������������� �

����������������������������������������������

���� ���� ���� ��� ������ D!�D'"� ��� D0�D1"

������������������ DD"�

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 1, 2011

6

H������������������������!�2������������

���������������� �������������������������

!�2��������������������������������������"�"�

������������������������������������ DG"�=� ��

����������� �����������������������������

����������������������������� �������� ���

+����������B$������������!�2��������������

�����������;&�����%<�,�����������������������

�� ��� ����� ������ �� ��0 ������� �� ��� !�2�

������������������������C>/��������������

�������������������������������������������

������������������������������������

�����������������

��� ���������� ����F������������� �� ���

��������������������������������������������������

����9������������ ��������������������������

!�2��������������������������������������������

����������������������������;>#*&<������������

D2�G."����������������������������>#*&�����

�������%��������������������������������� G!�G%"

��%���������������!�'�1������������� G'�G0"EI���

�������������� ��������������;&�����'<�

����������������%�%�D�D����������������������

��������� �����;>#*&<��������������EI�������

��������������F�������������������������� ��

����������������������������������������������

�����������������������������������������EI

����������>#*&����������8���������������

�������������������������� ���������� �������

��������������������������������������������

�����������������������������������������������

��������� ������������������

#������������&�����'���������������

����������������������� ������������������������

���������������������������������������������

���-��������������������������/�����;����!<������

��� 0�������!�2�������������� �� 0�����!�2�

����������������������������������������%�%�D�D�

���������������������"��������0�����������������

"�������������0�����������������������������

��� ����������� ���� �� ��� ����������

;���������������������<���������� ������������

�� �������������������������7���������������

����B$������;���������������������������

��������������������������������������<+������

����������� �������� ��� !�2�������������������

��������������-��������/�������������������

�������� ������� ������ ������� ����������� ���

Scheme 1. Some examples of PET based fluorescent chemosensors.

Scheme 2. PET process in bis-1,8-naphthalimide 6.

V. Bojinov, N. Georgiev

7

Scheme 3. PET-based photostable 1,8-naphthalimide sensors.

Scheme 4. PET process in 1,8-naphthalimide 16.

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 1, 2011

8

���������������������������"����������������

���������������������������������������������

�������������������������������������� D'�G1"�

����+����������������-���������/��������

����������� � ����� ���������������� ���������

������������� ���������

#�������������������������������������

���������������;��������<������������������

�����������������������������������������������

+�������������������B$���������������������

���������������0�������!�2��������������������

;&�����0<�

�������������������������������������

�������)8(�;06!� ) <������������������������

�����������������������������������������������

�������������������������������������������

����������������������������������������������

���������0�������!�2���������������������������

0D�'G����;����%<�

#��������������� ;&�����'<�����������

���������������� ��������������������������Fig. 2. Fluorescence enhancement of 16 as a function ofpH.

Scheme 5. Type of coordination of 15 and 16 (1:1 metal/ligand complex).

Scheme 6. Type of coordination of 7, 8 and 17 (3:2 metal/ligand complex).

��������������������������������������������

��������������������4�����������������������

��������������������������������������������

����������>��� �����������������������������

�������� ������������� �������������������

������ �������!6!�����)����������������������

V. Bojinov, N. Georgiev

9

�����7�������������������������������������

;∆λ�J!!��<������������������������������

��������������������������� �������������

���������������������������������������������

-�����/���������������������������&�����1�

������������������������;!6!�����)������

�������<��������������������������������

%�%�D�D����������������������������������0�������

��!�2��������������������;&�����1<�

����������������������������!����������

������� -�����/ ���������� �������� ;�� &����� '<�

��� �������'6%�����)��������������������������

������������������������������������������

�����������������������������������������������

������������������������������������������������

�����!�2����������������0�������;&�����D<�

�������� ��"��������!���� �����������

����������������������������!�2����������������0

�������;��&�����'<���� �������!6%�����)������

�������������������������������������������

����������������������������;&�����G<�

������������������ ���� �����������

���� ����������������������������!�2��������������

�������������� ��������������������������������

���������-������/����������������������������

���������

��������������������;����!�<��������

B$����������7�������B$������� �� ���

����� ���������������� ��������� ������ GD�G2"

��������������� G3"�9��������������������������

�������������������������������������������

��������������������� ��� ��� 2."�����������

+������������������������������������� ��������

������������������8��������������B$��������

���������������������������������������������

������� �B$�;����'<�

7����������������������� ��������B$�

����������������������������������������������

Scheme 7. Type of coordination of 9, 10, 12, 14, 18 and 19 (1:2 metal/ligand complex).

Fig. 3. Oxidative PET mechanism.

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 1, 2011

10

���������������������������������������������

�������$�'?����'?����������������������

���������� �� ������ ����� ���� ��� ����������

������� #� ������� ��� ������� � B$� �

������������������� ����" 2!"� 8�� �" ���������

������ �������+�������������������������������

�������;&�����2<�#���������������������������

����������������������+������� ��������� �B$�

���������

���������� ������� � ����������������� �� �#�

� �������$��

7� ������� ���� B$� ����� �� ��� B��

������������������������������������������

�����������������)�����������������������5������

�� ��� ���������������������������������)���������

����������������������������������������������

����������������������������������������

8��������������������������������������������

��� �������������� �������������� ������ �������

;7��<���������������������������������������

��������� ���������������������-�����������

�����/���-����������������/��������������������

��������������������������������������������

����� �����������������+���������� �� ������

������������������&��������������������

���������� ���������������������������������

�����������������������������������������

�����)���������������������������������������

����������������������������������������������

������������7�� 2%"�

9���������;����������������<����������

�����������������������������������������������

������������������������������������������������

����������������������:���������������������

Fig. 4. PCT sensors based on cation interaction with an electron-donating or electron-withdrawing group.

Scheme 8. An example of oxidative PET-based fluorescentsensor.

V. Bojinov, N. Georgiev

11

���������������������������������������������

������������������������������������������

����� ��������� ������������ ��� ������ � ������

���������������������������������������������

�����������������������������������:���������

������������������������������������������

������������������������;����0<���������������

��������������������������������������������

�������������������#�����������������������

�������7����������������������������+������

���������������������������� �� !3"�

������ ����������������������������������

����������� ��� 7���������� �� ����� �����

�������������������������!�2������������������

�����������%?��� 2'"���������������������

����������������������������������������7�����

�����������%?������������������������������

����������7����������������������������������

����������������������������������������������

�������������������������������������������

����������������������;����1<�

E��� ��� ������� � ����� ���� ���

�����������������������������������������������

��������������������� �������������>�%? 20"�

A�%? 21"���%? 2D"�B�%? 2G"�������� ���;&�����3<�

���B������������������������������

�������������������������� 22�23"�K���������

���������������B����������������������!��

�������������/������������� 3."�������������

�!������������0�������!�2�������������������

�����&�����������������������������������

���������������������������������������

� 11.Fig. 5. ICT sensing mechanism and spectral variations forsensor 21 interacting with Cu2+.

Scheme 9. Some examples of PCT based chemosensors.

Scheme 10. PCT based chemosensors for determination offluorine ions.

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 1, 2011

12

���������������������������������������

�������������������������������;7��<�����������

������;&�����!.<�

E�������������#�C��>%BC

0������,�������

�����;������;�0>

3<

0=?���<��������� ������

�����������������������������������������

��������������������������0����������������

��������������������������������������������

���������������������������������������������

������������������7����������������������������

�������������������;���������������!���������

���������&�����!!<�

������������������ ���������#%�� ���������

#������ ��������� ����� ���� ����� �� ���

������������������������������������������

���������� ���������������������������������

���������������� ����������������������������

�����������������������������������������������

�������������������������7����������������

���������������������������������������� �� �

������������������������H������������������

����������������������������������������

�������������������� 3!"�&������������������

��������������������� ��������������������

��� ��������� ������������������ ������ ��� �

��������������������������������������

���������������������������������������������

���������������������������������������������

��������������������������������������������

���������������������������������������������

�������������;�H$�<���������������������

�������������������������������������������

Scheme 11. Deprotonation of the donating 4-amino moiety and colour change in dye 28.

Scheme 12. Energy transfer after complexation of 29 with metal ions.

Scheme 13. ET-based anthracene sensors for Cu2+.

V. Bojinov, N. Georgiev

13

���������������������������������������������

�������� ������

�������������������� ����������������

�����������;������������������������<���������

���������������� ��������� ;&�����!%<����

��������������3����������������������������

��������������7��;��������������������������

�������<����������������������������������������

������������������ �����������������������

������������������������������������������

������������������������������������� 3%"�

C�������������������������������������

���������������������������������������������

����������������������������������������

�"��������%?��������������������������������� �

���������������������������8����������������

����������������������������������%?����������

����������������+��������������;&�����!'< '."�

������������������ ��������&�� ���������'��$�

�����������

��� ����������� �� ��� � ��������� ����

�������������������;B$��B�����$�<��� ���

������������������������������������������

C�&�����!0�������������>�������������

����� �� ������ ������� ������� �B$����� !�2�

����������������H��������DK���� 3'"�����

����� ���� ��� �������� !�2�������������� ���

H��������DK����������������������������

�������������������� ��������������#�����������

��������������>� �3���>� �%���������������Scheme 14. Combination of PET and ET in dyad 34.

Scheme 15. PAMAM light harvesting dendrons.

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 1, 2011

14

����������H��������DK�������������������

�����0'�����

������� ��������������������������������

�������������!�2��������������B#(#(�����

��� �������������� �������������� 30�32"����

������������������������������������&�����

!1�C�������� ���������������������������

������B$������ � �������������������������

�������������������������������� ���������������

�������0���"������������������������������

���������� ��������� �� &����� !1� ��� 0�

����������������������������������-��������/

L��������� ���� ���� 0������ ����� ��� !�2�

������������������������� ���� �� ����� ��������

�������������;7��<���������������������������

�������������������� ��������� ;����� ������� 0�

������������<�#�����������������������������

������ ����������������������������������������

&����������������������������������������������

��������������������������������������������������

�����!�2���������������������B$������������

+�������� ����� ������ �� ����������� ��� ��� ���

������������������������������������������0�

������!�2�������������� ����������� ���� �����0

��������������������� ��������������;���������<�

���������������B$������������������������

���������������"���������5�������������������

��������������+������������������������������������

���� ��� ��������������� �� ������ ��������� �����

����������� �� D'"���������������0�����������

��������������������������������������������

�������������������������������0������������

������������+������ ��������� �������������� ��

Scheme 16. Combination of PET and PCT in pH sensing mechanism of sensor 37.

Fig. 6. Range of the “on-state” (pH-window) for compound37.

V. Bojinov, N. Georgiev

15

������������������������������������������

������ �������������������������������������

B$���������������������������������������

;-�����/��������<�������������������� ��������

�������������������������������������

#����������������� ����������B�����

B$�����������>������������������������!�2�

����������������� ��� ��� 33"�����>�����������

�����������������������������&�����!D�

7��������������������������������������

�����������������-��������/������������

���B$�+�������������������������������������

�������������������������������#�����������������

��� ��>1����B$���������������������������

���������������������������������������������

Fig. 7. Range of the “on-state” (pH-window) for compound38.

Fig. 8. Chemical system 10 (P) which performs the YES logic operation under the action of one chemical input (H+) and thecorresponding truth table.

�������������������������-����������/�����

����������������������������������������������

������;�J=<������+�����������������������

��������������������-�����������/���������

���������-����������/�>�����������������

����-�������/��������>D����>0�����������

����B$����B��������������������;����D<

�����������-��/��>�������;�����%�>����<�#��

�����������������-����������/�����!;����G<����

������B�����-�������/�������>���������

�����1�>���� !.."�

MOLECULAR LOGIC GATES7���������� ������������������� �����

��,��������������,����M;������<�������;�������

���������$������������������K�����,����<��

������������������������������������*��������

�������� ����������������������������������

7� �������������� ��� ��� ����� ������������

������������������������������������.���!

;�����������������<�8� ���������������������

�������������������������������������������

�� ��� ������������� ����� ���������� �� ��������

��� ��������������������������������������

�� �� �� �������� ���������� �� ����� ���� !.!�

!.0"��������������������������������� ����

� �����������������������������������

������������������ ����������� ��������������

��������������������������������������������

�����������������������������)���������������

�����������������.���!�������� ��� 0�!.1�!.G"�

��� ���� ������� �� ������� ����� ��������� �� ���

����������� ����������!322 !.2"������������

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 1, 2011

16

�� ������������ ����� ����������������������

�����������������������������������������

�����������������������&�� � G1"�

(����������#���� ��������#�������

9�������������;�������������������<��������

������;�����-��������/���������������������<����

���������������������������N$&����������

.��!�����������������������=C��������

���������������������.��!�����������!��.�

����������-������/�����������������������

����������������������;�$<���������������

N$&���������;����2< D3"�#��������������������

�����������"#��� ���� ��������������������

����������������������������� ������-������/

���������������������+�������������������

�����������;����3< !.3"�

(����������#���� ������)������

(���������������������������������������

�����������������������������������������

���������������������������������������������

���������������������������6#=8�CH�OCH�

Fig. 9. Chemical system 39 (P) which performs the NOT logic operation under the action of one chemical input (Zn2+) and thecorresponding truth table.

Fig. 10. Chemical system 40 (P) which performs the AND logic operation under the action of two chemical inputs (H+ andNa+) and the corresponding truth table.

Fig. 11. AND logic gate 41 with two inputs (H+ and Na+)and singlet oxygen as output.

V. Bojinov, N. Georgiev

17

=#=8�=CH���O=CH�#�������������������

��������� ������������ !!.�!!%"�

���#=8��������������������.�������

-����/���!�������-�����/������������������

��������������-���/�������������������-����/

����������������-�����/C������������������

-����/���� ���� ����� ��������� ���� ����� ����

���������������������������������&�� �F#=8

���� G1"�������������";����!.<����������������

�����������������B$�����������������������

������������������������������������������

��������������������������������� ��������

����������������������������������������

�� ����������������+�����>?;�����!<���������

�����������������������+�����=�?;�����%<�

E��������� �-�����������������!���������

!�

�����%���������

%/������� ����#=8��������������

���������������� !!'�!!1"�#������#=8�����

������������������������ ����������������������

������������ ����������������������#�����

!!1"�B������������������������� �� ��������

�������������������������������������������

�����������������������������������������������

�������������������������������������������7�

�����������������>�����+��������������������

����������������������������� ������;*#I<�����

���������0�����������������������������������

��������������������������;�������������<����

��������������������������������������

�������������������=�?���>?;����!!<�

#�CH���� ������� ��� ����� ���������

,������ �������:��������� �!�� ������������

������!����CH������+������������������ �

���������� ������� ������������������������

��������#����������������� ������������ ���

����������������������CH�������7��������������

��������������������CH��������%?���(�%?����

���� ��������� ��������� ����������� �����������

Fig. 12. Chemical system 42 (P) which performs the OR logic operation under the action of two chemical inputs (Mg2+ andCa2+) and the corresponding truth table.

Fig. 13. Chemical system 43 (P) which performs the XOR logic operation under the action of two chemical inputs (I1 and I

2)

and the corresponding truth table.

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 1, 2011

18

;����!%< '0"��������������������-��/���������

��������%?��(�%?������������������������������

�������������������������������������������

�����������������������������B$����������

���OCH;������ ��CH<���������������

��������������-������)���/����������-����/��

������������������������������-�����/���������

�-����/��������������-����/����������������

-�����/#������������������������������������

�� ���������������!��������������������������

. �� ��� ����� ��� ��� ����OCH � �������� ���

������������������������������������������OCH

���������������������������������,���������

&������� !!D"��������������������������������

������������������������������ ��������+�����

�������������������������������������������

���� ���������� �� ��� ������������������ %�G�

��������������������� �������� ;7���� !< ���� ���

�������������������������%�'�����������������

����;7����%<�,�����������������������)��������

������������ � ��� �������� ������� ���� � ������

������������������;�<��������������������

���������������������;��<��������������������

��������������������������������������������

����;����!'<�

���=CH�������������������CH��������

����������� ������7��������-����/�����������

���-�����/C������������������-����������������

��������������-���/����%?�&��������������>?

�����������;����!0< !!G"�

���O=CH;������ ��=CH<��������������

������OCH������������������ ������7��������

-����/����������������������-����/��������

����������������

&�����������������������������������

������'?��������������� �����������-������/

������������ ��������������������������'?���

����� !!2"����������������'?���������������

�����������������������������+���������������

-��������/���������������������������������

�����'?�������;-��������/<������������� � ����

�����������������;-�������/<������ � ���������

������� ������ ���� ��� �������� �� �� ��� �����

����������'?������������������������������

��� ������������ �������������+�������������

������-��������/������'?�������������������

�������������'?���������������� ������-��4���/

������������������������������������� ��

������������������������������������� ��������

��'?�������������������������&��������������

Fig. 14. NOR logic gate 44 with two chemical inputs (Cu2+

and H+) and the corresponding truth table.Fig. 15. XNOR logic gate 45 with two chemical inputs (Fe3+

and F-) and the corresponding truth table.

V. Bojinov, N. Georgiev

19

������������������������������������������

������������������������ ��=CH;O=CH<�����

����;����!1<�

#=#=8 ����� ���� ��������������� ��

�������������=C����#=8�����7�������������

����� ��� ����������������-���/���������������

�������������� � -����/ �� ���� ����� ��� -����/�

C������������������-����/�=�������������������

����������� !!3"�#����������������������%?

��=C,�0 ���� ����������������������������

������������������������������������������

������ !���� ������ ������������ ������%? ���

=C,�0����������������������+������������

���������+�������+������������������'?�������

�������������%?��=C,�0;����!D<�

���7=>7,7������� �� ��������������������

����������������������#=8���=C��K���������

����� !%."������������������������7=>7,7�����

����� ���������������������;777< �������������

����������������������������������������

C%���������������������������������������������

���������� ���������������������� �����������

�����>?��������������������������������������

����������������������������������������+����

�����������������������;$$�<������-��/��������

�����������������������������C%���������

�� ������� ����������+��������;����!G<�

(����������#���� ������&����� �������� ��&���

��� ��������

������������������� ���������������������

���������������������������������������#�������

������������������ �������������������������

��������������������������������������������

������������������������������)��������������

������;������������������������� ��������< !%!�

!%D"��������������������!���������N$&�=C��

CH�7=>�=CH�������������>?���%?�A�%?�>�%?�

#�?������ !%G"������������ ��������OCH�

O=CH�#=8���� ������������������ � �����

!%2" ;&�����!G<�

#��� ��+����������������� �������� � ���

������� ���� ������� �������� �������������������

�������������������������������7���������

���������������������5��������������������

����������������������������������������������

�� �����������������������������������������

�����������������#����������������������������

��������������������������������������

�����������������������������������������

���#�������������#=8��������� ��� ��������

����������OCH���������������������� !%3"�#

�������������������;����!2<���������������

�����������������������������.;�����#<���.

Fig. 16. NAND logic gate 46 with two chemical inputs (Fe2+

and NOBF4) and the corresponding truth table.

Fig. 17. INHIBIT logic gate 47 with two chemical inputs (H+

and O2) and the corresponding truth table.

Scheme 17. Multichannel molecular devices 48 and 49.

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 1, 2011

20

;�����,<���� �..;������<�.���!���� �.!�!���

.���� �.!�!���!���� �!.�7��������������

������������������������������������������

��������������6.?.J.:.?!J!:!?.J!���

!?!J%;�����������%� ���?$�<�

P�����������������������������������

������"����������������������������������;#=8�

=#=8�CH�=CH�O=CH�7=>�N$&�=C�B�!�

B�.< !'."�7��������������������0..�����

0%1������������������������������������

���������"�����������������O=CH���#=8

��������������������������������������������

����������������������������������O=CH��

����������OCH�����������������������������

������� �� 0..������ ��� ������������� �����

�� ����������������������������������������

��� ���������������������������;����!2<�

����������������� � � ������������� �������

�������������������������������������&���

������������7=>�������������������������OCH

��������������������� !'!"������������������������

������������������������!3�

*����A��������������������������������

�� ��� �����������������������������������

�������������������������������� ���������

�� � �������� ������������������>����� �� !'%"�

Fig. 18. Half-adder 50 (AND and XOR logic gates) and corresponding truth table.

Scheme 18. The four ionization states of Fluorescein 52.

V. Bojinov, N. Georgiev

21

Fig. 19. Half-subtractor 51 (INHIBIT and XOR logic gates) and corresponding truth table.

Fig. 20. Truth tables for half-adder and half-subtractor based on Fluorescein 52.

��������������������������������������������

�����������������+���������������������������

��������������7=>7,7����OCH�����������������

������������������������������������������

������� ���;����!3<�

�����������������������������������

�������������������������������������������������

����������E���������������� ��������������������

��������������������������������������������

������������������������������� ������������

�����(������������ !''"���������������������

�� ���� �� ���� ���������� ���� ;?!� .� �!� �%< ����

���������������������������������;&�����!2<�

#������� ����������������������������

������������������������������������������

����������;�-�����������/<����������������������

���������������������B�� �����������������

����������������������������������������������

������������ ���������� ����������������������

�������������������������������������������

��������������;����%.<�

������������������������������������

������������������������������������������������

��������7�����OCH���O=CH����������������

����������������� ��������������������+�������

������������������������������������������

�������������������������������� !'0"�&�����������

���������� ������������ ;,<������� ;#<� ���

���������������������������0!.����+;�+���<

�������������������11.�����;�����������<�����

;����%!<�9�������������������������������,J

#�����������+�!�9��������������������,Q#�

������������!�������������������������,R#�����

��+���������������������������������������

���������.�����������������������������������

�����������������������������������%!�

C����������������������������������� ���

���������������������������������������������

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 1, 2011

22

���������������#������������� ������� �� �� ����

�������������������������������������������������

>��� ��������������� ��������� �������������

� ���������������������������������������

�������������������������������������������

�������������������������+�������������������

����������������������������������������������

������������ ������������������������������

������������������������ �������������������

�������������������������� !'1"�

E������ �������������������������� ������

����������� ���������������������������������

������������������������������������������

��������������������������������� �����������������

�� ���� ��� � ������������ ������������� �� �����

������������������������������ ���������������

���������������������������������������������

�� ���� ��������������� ������������������

������ ��������������#���������������������

���������������������������������������������

�������+�� ��������������������������� !'D"�

#�������������H���������������$8�#

;�������������������������� ����<�� ������������

$8�#�������������������������������������

������������������������������������������

��������������������� ���������� ��������

���������� !'G�!0."�9���������������������������

����������� ���������������������������������

#=8���7=>��������� !'G"�����������������

��������������%?���A�%?������������������

��0!.�������������1..���������;����%%<�

#����������������������$8�#������������

�� �������������������������� ������ �� ���

�������������������������������������������

������������������������������(���� ������� �����

��������$8�#��������� �����������������

��������������������������������������������

�������������������������������$8�#�

Fig. 22. Binaphthyl-derived device 54 (AND and INH logic gates) with Reset function and corresponding truth table.

Fig. 21. Digital comparator based on 8-hydroxyquinoline 53 and corresponding truth table.

V. Bojinov, N. Georgiev

23

CONCLUSIONS

��� ������������� ����������� ������� ���

�������������������������������������������

��������� ����������������������������������

������������������H���������������������������

������������������������������������������������

����������������������������������� ����������

����� ������ ������������� ����������������

������������������������������� ������������

�����������������������������������������������

�� ��������������������������������������������

��������������������������������������������

�������������

�������%�� ������������������" ��� ��$������

&��� ������'��� �� � (��)����*+,�-.�.-/01��2�����

��� �%������������$�������&��� ���� ������,���������

������� ����������� ���3�� �������($�� ��'��� �� 1�

REFERENCES

!�>�#����������8���������(�B�����9�9��������

H�����#� ���� ��B�������8� ��� ���C������

���������'=#&#(������&�����������������

&���� &������ *���������� >��� ����� %..3

;�����������������)� �����)���%..3)C�)���������

���<�

%�I�,�������B���������B���������&����%�%..'�013�

'�>�����������&����31�%..2�!%.%�

0���(�H�����&�K��������B=#&�33�%..%�030!�

1�@�H������E�H����K�����������&���H� ��'!�

%..%� !!D�

D�S�S�*� �����$�I�#�����#�����������7���$���

0.� %..!� '!!3�

G� I� #�������� *� ���������� �� (������� B�

B���� ������#��������H����'0�%..!�022�

2�#�B���&�� ��8�,�����#�S�(�>��������&�(�����

�����������H� ��%.1�%...�0!�

3�*�����������(�*���������B�B���� ������#��������

H���'%�!333�20D�

!.�#�9���������#��������H���%G�!330�'.%�

!!���(�H�����#� �(������!0�%..%�0.!�

!%���(�H�����&��K��������S�#�������&�����!%'�

%..!� 0D1!�

!'���(�H�����&��K��������S�#�������&�����!%0�

%..%� %..0�

!0�I�,�������#���������(�H�����S���&��������#�����

�����7���$���'3�%...�''02�

!1�S�*�#������S�$�8�8� ���8�8�(�������L��IT����

;$��<����������� �&����������������������

I���!�%���!.�B��������$�������!33D�

!D�@�&��������;$��<�(��������$������������(��

�������$���������8� ����I��� !�%��H�B���

E&#�!33'�

!G�I�,���������&��������&�������������B���������

�����$���>����������������!33!�

!2�B�8�,����B�#�K����8�@�&�����&������������������

�����C�����E�� �����B��7����=��N����!333�

!3�#�8���������7������������������������&���

����&�������&������?,����(����,�I��%..3�

%.�#�B���&�� ��>�P�=�K�����������K����������

#�S�(�>������S���H������������$�H������6#�9�

��������S�B�8�� ����;$��<�������������7��

���(�������H�����������=#�C#&7&�����&��

����6(��������������B������&�������I���03%�

@�����#�������B��������!33G���!0'�!0G�

%!�#�B���&�� ��>�P�=�K�����������K����������

#�S�(�>��������B�(�����S���H������������$�

H���������H� ��3G�!33G�!1!1�

%%�#�9���������S�B�8� �����;$�<����������

���7�����(�������H�����������@�����#�������

B�������� !33G�

%'�#�B� �� &�� ��,�(���������,�(�@������(�

P������8�����������!.�%..'�!3.%�

%0�S��������#�B���&�� ��8�(����������������D!�

%..1� 211!�

%1���K������������(�����H�(��������B������

��&������#��� ���G�%..'�%!D�

%D�,�H������������S����������!1�%..1�G!�

%G�,�I������7�*���������������H� ��%.1�%...�'�

%2�#�B���&�� ��&�#���&�� ��S������&��������

��������!32D�!G.3�

%3�*�����������(�*��������B�B���� ������#�B�������

8�&������#����������7���$��$��������!330�

!3G1�

'.�*�����������(�*���������B�B���� ������#�B�������

#�����������8�&�����������$���S��%�!33D�G1�

'!�#�B���&�� ��>�P�=�K���������@�H�#�&�&�����������

�����������*����'���'�!33.�1!3'�

'%�@�K��������(�(���� ���,���� &�#�K������8�

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 1, 2011

24

(���������(�$�*����7�@�����#��S�B�������%12�

!33.��0'2�

''�#�B���&�� ��>�P�=�K���������S������&��������

��������!33.�!2D�

'0�#�B���&�� ��>�P�=�K���������K�$�(�(�������S�

�����&����������������!330�!%!'�

'1�7�#������&������&�&�������S������&��������

��������!33%�G'.�

'D���E����A�#�����S�I����������������*�����'3�

!332�%31!�

'G�#�B���&�� ��#�K��������>�K�����������H����

#��� ���G�%..'�%%3�

'2�S�K���@��������B�������>������8��B�������

1G�%..'�%!�

'3�N�>��,�9����A�&��S�#����B�����&���!!!�%..3�

!3'!�

0.�I�,�5��� �7�K������ �8��B�������13�%..'�%GG�

0!�I�,�5��� �7�K������ �8��B�������1!�%..!�1G�

0%�I�,�5��� ���@��������� ��8��B�������10�

%..%� %'3�

0'�I�,�5��� �S�B���������B���������#6������!D%�

%..0� %.G�

00�I�,�5��� �K�7 ��� ��8�&������ �(��������

�����B���'�%.1�%..0�!%13�

01�I�,�5��� �7�K������ �S�B���������B���������

#6������!G%�%..1�'.2�

0D�I�,�5��� �7�B��� ��7�K������ �B�����8������

&�����22�%..1�0%.�

0G�I�,�5��� �7�B��� ��8�&������ �8��B�������

G2� %..2� !.!�

02�I�,�5��� �7�B��� ��B�����8������&�����3'�%..2�!!0%�

03�I�,�5��� �8�&������ �B�����8������&�����31�

%.!.� 0'�

1.�$�(������H�9�������#�B�����S�*�������D2�

!33D� !1G�

1!�I�K���������#�@������K�&�������S�#����&�����

�����D1�!332�0D'�

1%�9�&�������S�#�������&����!.'�!32!�GD!1�

1'�7�C���N�O��S�*���(�@��������(�>�����9�

&���������O�P����,������(���������!D�%..2�G!.G�

10�(���&�����H��������I�������7�K������ �I�

,�5��� �B��������1D�%..%�0'.�

11�S��#�K���P�&�����O�>����@�������>������S�

B���������B���������#6�����!D%�%..0�'33�

1D�S�*���K����P�A����N�������N�K����*�9����

8�(��O�S������9����S�(�����������!D�%..D�

!0'!�

1G�9�A���(�>��H�N���>������S�(�����������

!'� %..'� %!3D�

12�N�9����O�A�����,�>���S�B����&�>���N�

>�����>�&���(�O���A�*��8��B�������2D�

%.!.� !3.�

13�7�K������ �7�(��� ��I�,�5��� �&�K������������

S�(�����������!.�%...�!%3!�

D.�O�>�����N������O�*��N�O���9�A���8��

B��������%.!!� ���6!.�!.!D)5��������%.!!�.!�.!.�

D!�&�������B�>����������>������K�(����C���

,������������D�%..2�0'!3�

D%�H�8������K���������������������*�����02�

%..G� 2.0'�

D'�#�B���&�� ��>�K���������S��*�>�����S�������

(�������H���� S��B�&����������#����������

7���$���'0�!331�!G%2�

D0�=�&�����=�@����,�(���������S��������������

��������*�����1!�%.!.�''21�

D1�,�H������������=�,�&��������H�@��������&�

&����#�&�������������������1D�%...�G.0!�

DD�N�*����*����O��N�A����P�O����&����#�����

���,6������%.!!����6!.�!.!D)5����%.!.�!%�.!!�

DG�8�&���� ��7�K������ �S�B�&����������I�,�5��� �

S�B���������B���������#6������!23�%..G�!3%�

D2�I�,�5��� �=�K������ �B�,����S����������!3�

%..3� !%G�

D3�I�,�5��� �8�&������ �=�K������ �8��B���

�����GD�%..2�0!�

G.�I�,�5��� ���@��������� ��&����#�������,6

������!%'�%..G�2D3�

G!�I�,�5��� �7�B��� ��S��(���� �����&����#��

������,6������!'1�%..2�!G%�

G%�I�,�5��� �7�B��� ��8��B�������2.�%..3�D!�

G'�I�,�5��� �7�B��� ��8�&������ �=�K������ �S�

B���������B���������#6�����'%!.�%.!.�23�

G0�I�,�5��� �=�K������ �=�(����� ��&����#��

������,6������!02�%.!.�D�

G1�#�B���&�� ��>�K�����������(�����=������

'D0� !33'� 0%�

GD�@�@����=�@������&�������,���������&���S����

G.� !33G� '.0!�

GG�8�B������S�#�K�9�������S������&���B�����

�����%�!331�!'.1�

G2�#�,�����8�B������S�#�K�9�������S������&���

B����������%�!33D�!1D1�

G3� #�B� �� &�� �� >�P�=� K��������� ��$� H���� &�

&�������S������&����������������!33G�!23!�

V. Bojinov, N. Georgiev

25

2.� S�(�S� �������� #� #����� � &�*� K����� #�����

�����7���$���'2�!333�!0%%�

2!�,��������$�E�#������C���*�����0�%..%�%21G�

2%�,�I������(��������������������B�����������

#����������� 97*$N�I�> I����� K��>�

9�������� %..%�

2'�&�K������8�&���=�8��K�>����������������

*�����1!�%.!.�11D'�

20�#�8�������H�(��������(�����H�H��������@�

H������S�&����S�#�������&����!%1�%..'�'0!2�

21�&�&����������(�>������=�&������B�*�����

N�9��@�&�������S�,�����S�B��������������S�

#�������&����!%3�%..G�!!222�

2D�H�9������ S�*������ S�#������� &���� !!D�

!330� 3G13�

2G�#�>������8�,���������S������$�����D'�!32D�222�

22�$�����S�(����&�@��S�*���&�@���S�N����@�

=���S�#�������&����!%1�%..'�!%'GD�

23�K�O��(�������������������%..0�!.1.�

3.���K����������B�@������B�S�������B�������

K>���������������*�����00�%..'�23.3�

3!�S�*��������B���������������������&�������

�����%��������@�����#��������B�����B������

���=��N����!333�

3%�S�@�����(��������=�@����������>�=��������

�����������*�����03�%..2�!320�

3'�I�,�5��� �#�I���� ��=�K������ �#�������,6

����������!0'�%..3�0%�

30�I�,�5��� �=�K������ �B�=����� �S�B���������

B���������#6������!3G�%..2�%2!�

31�=�K������ �I�,�5��� �B�=����� �8��B�������

2!�%..3�!2�

3D�=�K������ �I�,�5��� �8��B�������20�%.!.�%03�

3G�=�K������ �I�,�5��� �S����������%!�%.!!�1!�

32�=�K������ �I�,�5��� �=�(����� ��&����#��

������,6������!1.�%.!.�D11�

33�=�K������ �I�,�5��� �B�=����� �8��B�������

22� %.!!� '1.�

!..�S�P����N�O��O�P����S�9����&�A�����S�B�����

�����B���������#6������%..�%..2�0.%�

!.!�����������$�9����(�,������������H�����S�

&��������B�S�@�����H�9�������S�>�����&���

�����%21�!333�'3!�

!.%�(�,�����������,��������>�8������K�H�������

�������������%..1�'3!2�

!.'�B�������B��������&�������������������

%..1� !%21�

!.0�S�#��������&�&����������(�����#�(�����8�

K��������$���S��!1�%..3�'3'D�

!.1�N�,�����A����A��������A�����������&���

,�����1'�%..2�!2!'�

!.D�(�,������=�B����� ����K� ���� ��I�*��

>���$�����������0%�%..2�130�

!.G�B��������K�,���������I�,�������#����������

7���$���02�%..3�21!D�

!.2�#�# �����S�#�������&����!!.�!322�1D2G�

!.3���8M&�����S�#�������&����!!2�!33D�3%'�

!!.� #�B� �� &�� �� &� E�������� ��B� I����� ,�

9��������� ������ ����� H� �� %1!� %..G�

!D%'�

!!!�#���&�� ��&�E�����������������������%.!!�

8C76 !.�!..G)!%2U%.!.U3D�

!!%�#���&�� ��=�(����������������$���S��!.�

%..0� 1G0�

!!'�S��������#�B���&�� ��=�(����������������

��������%..0�%.02�

!!0�,�,���B�,�������5��������������%..1�1!'�

!!1�&�C�����$�#������ S�#�������&���� !'!�

%..3� 02�

!!D�#�������I�,�������&�*��������S�&��������S�

#�������&����!!3�!33G�%DG3�

!!G� B� &����� &�@�����=�� S������� '.� %..D�

!11'�

!!2�(�@�����H�@�����I�,�����������������*�����

1!� %.!.� 1113�

!!3��������A�A���9�&�����O����N���=��S�

������%..G�'!�12.�

!%.���K����������8�8V�����8�B�����������

��������%...�3'�

!%!�>�A�����O�*���N�N���*�9���������������

%..D� 01G1�

!%%�O������A�*��N�O�����#�����������������

*�����03�%..2�0D3G�

!%'�(���&����,���������&�#����(�(�������

E�B�������������������%..D�%.1!�

!%0�>�O��O�O��H�8��������K�,�����*�����&�

B������>�S��S������&���B����������%�%..%�

D'D�

!%1�K�A����K�*��&����#�������,6������!''�

%..2� D!G�

!%D�(�&�����#�K����#�8�������������*�����

02� %..G� 2%.1�

!%G�N�&��������N�����������>������������������

%..1� 1'!D�

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 46, 1, 2011

26

!%2�S�P����N�O��O�P����&�A�����S�B���������

B���������#6������%.G�%..3�!2!�

!%3�C�@�������>�&������=�&��������N�$������

&�&�����������B���*�����01!�%..2�D'�

!'.�S�P����O�P����N�O��&�A������������������

%..2� 0!0!�

!'!�8�(�������I�����#�B���&�� ��7����������

#����'D.�%..G�G1!�

!'%�K�A����K�*�������������*�����03�%..2�1DGD�

!''�8�(��������K�(������#�&�������S�#�������

&����!%2�%..D�02D1�

!'0�9�S�����>�A�����N�*��������������������

0�%..3�%3%�

!'1���O��9�&�����A�����N�,����������9�*��N�

>�������N���&��������,6������1%�%..3�G..�

!'D�I�,������#�������(�I������������B��������

0�%..'�03�

!'G�&�9����K�(���*�A����P�>���&�S�����&���

��#�������,6������!01�%.!.�2%D�

!'2�9�A����S�*��O�>����*��S�* �N�*��&�9����

>�*���8�A��������$���S��!0�%..2�G10�

!'3� 8� A����� P� A����� S� &�� >� ����� �����

��������%..3�!G..�

!0.�K�A����K�*��#��������&����DG�%..3�!1G�