一种新型N-功能化并融合了吡唑酮结构的衍生物的合成、表征及其作为碳钢在1 M盐酸介质中防腐蚀剂的性能评估：实验研究与计算方法

《Journal of Molecular Liquids》：Synthesis, characterization and evaluation of a novel N-functionalized and fused Pyridazinone derivatives as corrosion inhibitors for carbon steel in 1?M hydrochloric acid medium: Experimental study and computational approaches

两个新型N-功能化并环合的吡啶酮衍生物（NPD和FPD）通过环保的一锅多组分合成，其结构经FTIR、NMR、质谱和元素分析确认。电化学显示NPD和FPD在5×10?? M时抑制率达93.5%和97.4%，腐蚀电流密度降至66.2和19.5 μA·cm?2，电荷转移电阻显著增加，表明形成致密保护膜。吸附符合Langmuir模型，SEM和XRD证实表面吸附，DFT和蒙特卡洛模拟显示杂环结构及富电子基团增强Fe(110)表面吸附。

　　这项研究聚焦于开发两种新型的N-功能化和并环吡啶嗪酮衍生物，即3-氧代-6-苯基-4-(噻吩-2-基亚甲基)-N-三癸酰基-3,4-二氢吡啶嗪-1(2H)-羧硫酰胺（NPD）和8-苯基-6-(噻吩-2-基亚甲基)-1-硫酮-3-十一烷基-1H[1,2,4]三唑并[1,2a]吡啶嗪-5(6H)-酮（FPD）。这些化合物通过一种环境友好型的一锅多组分反应路线成功合成。该合成方法不仅简化了实验流程，还减少了有害试剂的使用，从而降低了对环境的影响。研究的主要目的是通过引入长链烷基取代基与异环吡啶嗪酮基团的结合，增强其在金属表面的吸附能力，进而作为高效的碳钢（C-steel）腐蚀抑制剂应用于1?M盐酸溶液中。

在材料科学和工业化学领域，腐蚀是一个长期存在的问题，特别是在酸性环境中，如酸洗、酸蚀和脱锈等工艺中。这些过程虽然能够有效清除金属表面的氧化层和杂质，但也导致了金属的快速腐蚀，影响了设备的使用寿命和安全性。因此，寻找高效的腐蚀抑制剂对于提升工业设备的耐久性、减少维护成本和延长使用寿命具有重要意义。异环化合物因其含有氮、氧和硫等原子，常被用作高效的腐蚀抑制剂，特别是在碳钢等金属材料的酸性环境中。这些化合物的吸附能力与它们的分子结构密切相关，包括极性基团的存在、芳香性以及电子供体位点的电子密度。

研究团队通过实验手段验证了这些新型吡啶嗪酮衍生物的分子结构。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、氢核磁共振（¹H NMR）、碳核磁共振（¹³C NMR）、质谱分析以及元素分析等方法，确认了NPD和FPD的化学结构。实验结果显示，这些化合物在特定浓度下表现出显著的腐蚀抑制效果。在5×10^?4 M的浓度下，NPD和FPD的腐蚀电流密度分别从1150?μA·cm^?2（空白对照）降低至66.2?μA·cm^?2和19.5?μA·cm^?2，表明它们能够有效阻断腐蚀反应。同时，电荷转移电阻（R_ct）从17.5?Ω·cm²（空白）显著增加至267.8?Ω·cm²和679.4?Ω·cm²，进一步证明了这些化合物在金属表面形成了一层致密的保护膜，从而有效抑制了腐蚀过程。

在电化学研究中，研究团队采用了开路电位（OCP）测量和极化曲线分析（PDP）等手段，以探讨这些吡啶嗪酮衍生物的腐蚀抑制机制。OCP的测量显示，当加入NPD和FPD后，碳钢的开路电位出现了明显的负向偏移，这一现象表明了这些化合物能够有效改变金属表面的电化学环境，降低腐蚀反应的活性。极化曲线数据进一步表明，NPD和FPD在酸性环境中表现出混合型抑制行为，但更倾向于阴极抑制。这意味着它们在金属表面的吸附不仅能够阻断阳极反应，还能显著抑制阴极反应，从而有效减少金属的腐蚀速率。

为了进一步了解这些化合物的吸附行为，研究团队还进行了吸附等温线模型的分析，结果表明它们的吸附过程符合朗缪尔吸附模型。这表明这些化合物在金属表面的吸附具有单层覆盖的特性，能够形成均匀的保护层。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析，研究团队确认了这些吡啶嗪酮衍生物在碳钢表面的吸附情况，并观察到腐蚀产物（如铁氧化物和氯化物）的减少。这些实验结果表明，这些化合物能够有效阻断腐蚀产物的生成，从而延长金属的使用寿命。

在理论研究方面，研究团队利用密度泛函理论（DFT）和蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟计算，进一步揭示了这些化合物的分子结构和吸附行为。计算结果显示，这些化合物中的富电子杂原子和并环杂环结构显著增强了其在铁（110）表面的吸附能力。这表明它们能够通过物理吸附和化学吸附的双重机制，在金属表面形成稳定的保护层。物理吸附主要依赖于电荷的相互作用，而化学吸附则通过电子的转移和共享，形成更牢固的结合。这种双重吸附机制不仅提高了吸附效率，还增强了保护膜的稳定性，从而有效抑制了腐蚀反应。

研究团队还指出，这些化合物的长链烷基取代基能够提供良好的表面覆盖和紧密的分子排列，这有助于形成更加坚固和不可渗透的保护屏障。这种结构特征使得它们在酸性环境中表现出更强的吸附能力和更高的腐蚀抑制效率。此外，这些化合物的芳香环结构能够促进其在金属表面的稳定吸附，从而进一步增强其保护效果。通过这些理论和实验的结合，研究团队确认了NPD和FPD在酸性环境中的高效腐蚀抑制性能，并揭示了其作用机制。

综上所述，这项研究不仅成功开发了两种新型的吡啶嗪酮衍生物，还通过实验和理论手段深入探讨了它们的分子结构和吸附行为。这些化合物在酸性环境中表现出优异的腐蚀抑制效果，能够有效阻断腐蚀反应，延长金属的使用寿命。其作用机制包括物理吸附和化学吸附的双重效应，以及长链烷基取代基和并环杂环结构带来的增强吸附能力。这些发现为开发高效的工业腐蚀抑制剂提供了新的思路和方法，同时也为材料科学和化学工程领域提供了重要的理论支持。未来的研究可以进一步优化这些化合物的结构，提高其在不同环境下的适用性，并探索其在其他金属材料中的腐蚀抑制效果。