基于荧光素衍生物在不同酸碱条件下结构转化的逻辑电路构建

摘要

本论文设计合成了以荧光素为母体的具有双官能团（荧光素和半青兰素）的两个化合物BHF+和QHF+，通过核磁共振、高分辨质谱以及元素分析对这两个化合物进行了结构鉴定和确认。利用两个化合物都具有对酸碱敏感的酚羟基和螺环内酯结构，且在强碱性条件下，水分子会加成到C=N+上形成水加成产物的特性，本文对这两个化合物进行深入的光物理性质研究和探索，构建了基于单分子光谱信号的分子逻辑门电路。具体工作如下:
　　首先，我们对BHF+和QHF+的紫外吸收光谱进行了详细研究。在强酸环境中，BHF+和QHF+的醌式羰基被质子化，主体化合物形成二价阳离子，同时，荧光素的螺环内酯结构开启，并因两个正电荷的排斥作用导致了分子共平面程度的减小，分子仅表现出质子化荧光素的吸收特征（～430 nm）;随着酸性的减弱，质子化的醌式羰基逐渐去质子化，分子以阳离子形式的中性结构BHF+和QHF+存在，同时，荧光素基元逐步形成螺环内酯结构和开环部分的平衡体系，紫外吸收光谱表现出半青兰素结构基元(～530 nm)和荧光素基元的开环状态(～480 nm)的混合体吸收，且pH变化会影响二者的比例;随着pH的进一步增大，荧光素的螺环内酯被破坏，荧光素的氧杂蒽共轭体系恢复，BHF+和QH+逐渐转化为偶极子的中性分子和单阴离子形式，表现出半青兰素结构基元部分(～530 nm)和荧光素基元的开环状态(～480nm)的强烈吸收;在强碱性条件下，BHF+和QHF+转化为结构中带正电荷C=N+双键的水加成产物，半青兰素结构基元的共轭体系被破坏，仅表现出荧光素的双负离子吸收特性(～490 nm)。通过不同pH条件下紫外吸收光谱的系统研究，BHF+和QHF+两种化合物可形成五种离子化状态，即单正离子，双正离子，偶极子，单负离子以及水加成后形成的双负离子。
　　然后，我们利用BHF+和QHF+在不同pH条件下可能存在的上述五种离子转化模式及它们吸收光谱信号的不同，在一定的标准阈值条件下，以酸碱作为输入信号，并以特定波长下的吸收值或者透射比作为输出信号，设计构建了双输入双输出的三种逻辑电路—半加法器、半减法器、数字比较器。由于半减法器和数字比较器在相同输入输出条件下设计的，所以可以相互印证，同时使用，增加逻辑电路的准确性。并且，我们通过酸碱的重复输入验证了上述三种逻辑电路具有可逆的光谱信号重现性。
　　在此基础上，我们引入第三种逻辑输入信号，设计了三输入多输出逻辑电路—全加法器和全减法器，验证了其可逆性，并且阐述了全加法器和半加法器，全减法器和半减法器的联系和区别。此外，针对化合物BHF+设计出两种全加法器，并将其串联起来可构建出二位串行进位加法器，这种逻辑电路能够提高分子逻辑电路的集成度和连续性，为在实际应用上提供了可能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 有机化合物的表征

1．1．1 紫外-可见吸收光谱

1．1．2 荧光光谱

1．2 分子逻辑电路

1．2．1 分子逻辑门以及基本逻辑操作的简介

1．2．2 分子逻辑门的模拟分类以及研究现状

1．3 本论文研究的主要内容

第二章 基于pH变化的双官能团分子的设计以及光谱性能的研究和双输入分子逻辑电路的构建

2．1 简介以及设计思路

2．1．1 简介两种常见荧光染料

2．1．2 设计思路

2．2 实验部分

2．2．1 合成路线

2．2．2 仪器与试剂

2．2．3 化合物的合成过程以及表征方法

2．2．4 化合物的BHF+和QHF+的光谱学性质

2．3 结果与讨论

2．3．1 化合物光谱性质的研究

2．3．2 化合物的双输入双输出逻辑电路构建以及应用

2．4 本章小结

第三章 基于pH变化双官能团分子三输入分子逻辑电路的构建

3．1 简介以及设计思路

3．1．1 简介全加法器和全减法器

3．1．2 设计思路

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．3．1 光谱性质的研究

3．3．2 化合物的三输入双输出逻辑电路构建以及应用

3．4 本章小结

第四章 全文总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢