基于密度泛函理论的牧豆树荚果与树胶绿色缓蚀剂分子机制研究

《Sustainable Chemistry for the Environment》：PROSOPIS JULIFLORA POD AND GUM AS GREEN CORROSION INHIBITOR - DENSITY FUNCTIONAL THEORY APPROACH

金属腐蚀是工业领域面临的严峻挑战，传统合成缓蚀剂存在环境毒性问题。本研究通过密度泛函理论(DFT)和蒙特卡洛模拟，系统分析牧豆树(Prosopis juliflora)荚果与树胶(PJPG)中7种主要植物化学物的缓蚀性能。结果表明槲皮素(QT)和牧豆素(JPP)等分子具有较高的HOMO能级(-5.623 eV)和电子转移分数(ΔN=0.369)，其吸附能低至-49.476 kcal/mol，证实这些分子可通过给电子作用在Fe(1 1 0)表面形成保护层。该研究为开发绿色缓蚀剂提供了理论依据。

　　

金属腐蚀如同悄无声息的工业瘟疫，每年吞噬全球约3%的GDP。在酸性环境下的金属设备尤其脆弱，传统合成缓蚀剂虽有效却伴随生态毒性，这促使科学家将目光转向植物提取物。牧豆树（Prosopis juliflora）这种入侵物种竟暗藏玄机——其荚果和树胶（PJPG）富含多酚类化合物，在坦桑尼亚常被用作传统药材，但能否成为金属的"植物铠甲"尚未可知。近期发表于《Sustainable Chemistry for the Environment》的研究首次通过计算化学手段，揭开了牧豆树天然分子对抗铁腐蚀的量子级奥秘。

研究团队采用密度泛函理论（DFT）与蒙特卡洛模拟联用技术，在甲醇相中使用B3LYP/6-311G(d,p)基组对8种PJPG分子进行几何优化。通过高斯09W软件计算前沿分子轨道能级，结合Material Studio软件的Forcite模块模拟分子在Fe(1 1 0)表面的吸附构型，并利用福井函数分析局部反应活性。

量子化学描述符揭示电子转移机制

通过计算最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占分子轨道（LUMO）能级，发现槲皮素（QT）和牧豆素（JPP）的HOMO能级分别达-5.623 eV和-5.502 eV，较小的能隙（ΔE=4.096 eV）表明其高反应活性。穆利肯电荷分析显示QT分子中氧原子携带-0.558e负电荷，这些活性中心可通过孤对电子与铁的空d轨道配位。尤为关键的是电子转移分数（ΔN）值，JPP在质子化体系中仍保持0.274的高值，证实其持续给电子能力。

吸附能计算验证界面稳定性

蒙特卡洛模拟呈现震撼结果：QT在Fe(1 1 0)表面的吸附能达-49.476 kcal/mol，远超普罗索酮（PPD）的-18.040 kcal/mol。分子动力学轨迹显示，QT的苯环结构能以平行取向吸附于金属表面，形成厚度达5?的保护层。显式水分子环境下的模拟进一步证实，即使存在水性介质竞争吸附，QT仍能通过变形能（-31.670 kcal/mol）调整构象维持吸附稳定性。

局部反应活性精确定位活性位点

福井指数图谱精准标定分子反应热点：QT的C4羰基碳原子具有最高亲核指数（f⁺=0.138），而PPD的C12烯烃碳则展现双亲性（双重描述符值=0.024）。局部亲电性分析表明，QT的环氧基团区域具有12.8 eV的全局亲电指数，这些位点如同分子"触手"可多锚点结合金属表面。

该研究通过多尺度计算模拟证实，牧豆树植物化学物可通过电子转移与表面吸附双途径抑制腐蚀。其中槲皮素和牧豆素表现突出，其优势源于：较高的HOMO能级增强电子供给能力，适当的偶极矩（8.428 Debye）促进界面相互作用，以及多活性位点实现紧密吸附。值得注意的是，质子化体系中的参数变化提示酸性环境中部分分子可能通过阳离子模式吸附。这些发现不仅为牧豆树资源高值化利用开辟新途径，更建立了植物缓蚀剂"结构-活性"的预测模型。未来研究需结合电化学实验验证实际缓蚀效率，并探索分子协同作用机制。