Download - 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: [email protected]
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�