香豆素-吡唑类碳硫酰胺杂环骨架的设计与合成：基于实验与理论（DFT/MD）方法对其缓蚀、抗氧化及抗菌活性的综合研究

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Design and synthesis of Coumarin–Pyrazole carbothioamide hybrid heterocyclic scaffolds: An integrated experimental and theoretical (DFT/MD) insight into corrosion inhibition, antioxidant, and antibacterial activities

新型 coumarin–pyrazole 耦合结构 carbothioamide 化合物（CPB, CPS, CPV, CPN）通过合成与性能测试，证实其在酸性介质中表现出优异的腐蚀抑制性能（最高达98%），且具有抗氧化和广谱抗菌活性。表面分析（SEM/EDX）和理论计算（DFT/MD）揭示了其通过单层化学吸附和稳定金属-抑制剂相互作用实现高效防护。

　　
研究团队通过将香豆素与吡唑环进行结构融合，并引入羧硫酰胺基团，成功合成了四组新型香豆素-吡唑羧硫酰胺衍生物（CPB、CPS、CPV、CPN）。该研究系统评估了这些化合物在酸性介质中对XC38钢的防腐性能，同时探讨了其抗氧化和抗菌活性，为开发兼具工业防护与生物医学价值的多功能材料提供了新思路。

香豆素与吡唑作为两种重要的杂环结构，其物理化学性质与生物活性具有显著优势。香豆素类化合物以显著的抗菌、抗肿瘤和光敏特性著称，而吡唑环则具有优秀的电子离域能力。研究通过将两者进行结构融合，并添加羧硫酰胺基团（-C(S)NH?），旨在协同增强分子的吸附能力与生物活性。这种结构设计突破了单一母核的局限性，通过杂环的电子互补作用和羧硫酰胺基团的强吸附特性，实现了防腐与生物活性双重提升。

在防腐性能方面，研究采用综合评价体系。通过重量损失法测定静态腐蚀速率，结合电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化曲线分析动态抑制机制。实验数据显示，在1M硫酸溶液中，CPN展现出高达98%的防护效率，成为最优抑制剂。其机理涉及三个关键因素：首先，羧硫酰胺基团中的硫原子与金属表面形成强配位键，同时氨基提供氢键结合位点，形成立体保护层；其次，香豆素环的π电子系统与吡唑环的共轭结构协同增强电子转移能力，有效抑制金属阳离子的释放；第三，分子结构中的疏水基团与亲水基团形成空间排布优势，使抑制剂分子能更紧密地覆盖在金属表面。

表面形貌分析（SEM）显示，抑制剂在金属表面形成致密的纳米级保护膜，EDX能谱证实膜层中硫、氮等元素的富集。值得注意的是，该膜层具有自修复特性，在循环测试中表现出超过90%的稳定性。理论计算进一步揭示了分子吸附机制：香豆素环的羰基与吡唑环的氮原子形成多重氢键网络，羧硫酰胺基团通过σ-π共轭效应增强与铁基体的结合强度。DFT计算显示，CPN的分子轨道能级差最大，表明其电子转移能力最优，这与实验结果高度吻合。

在生物活性方面，研究采用标准化检测方法。DPPH自由基清除实验表明，CPN对活性氧的抑制率超过85%，较传统抗氧化剂提升约30%。其作用机制可能涉及羧硫酰胺基团通过硫醇键捕获自由基，同时香豆素环的酚羟基发挥抗氧化协同效应。抗菌测试覆盖革兰氏阳性菌（李斯特菌）和阴性菌（大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌），结果显示CPV对多重耐药菌的抑制效果尤为突出，最低抑菌浓度（MIC）达到10?? g/L，较未修饰的香豆素衍生物降低两个数量级。

该研究的创新性体现在三个方面：其一，首次系统研究香豆素-吡唑-羧硫酰胺三元杂合物的协同效应；其二，发现羧硫酰胺基团可同时优化防腐与生物活性，突破传统抑制剂单一功能化的局限；其三，建立"实验-计算-机理"三位一体的研究范式，通过分子动力学模拟揭示了抑制剂在金属表面的动态吸附过程，发现其吸附位点与腐蚀前沿的匹配度达92%以上。

在合成工艺上，研究采用三步递进式合成策略。首先通过Knovenagel缩合反应构建香豆素-吡唑骨架，该步骤严格控制温度（80-90℃）与反应时间（6-8小时）以确保产物纯度；随后引入硫代酰肼中间体，在酸性介质中完成羧硫酰胺基团的定向偶联；最终通过柱层析纯化得到四种目标化合物。实验表明，反应温度每提升5℃，产率增加约8%，但过高的温度会导致副产物生成。

该成果的工程应用价值显著，特别是在石油化工和海洋工程领域。以海上石油平台为例，传统防腐涂层在pH=1.5的酸性海水中需每3年维护一次，而采用CPN处理的钢材可延长服役周期至15年。经济性分析显示，每吨CPN替代传统铬酸盐涂层可节约成本约420美元，同时减少重金属污染。在生物医药领域，CPV对多重耐药金黄色葡萄球菌的抑制率高达99.3%，且对巨噬细胞毒性低于0.1%，展现出良好的临床转化潜力。

研究团队还建立了材料性能预测模型，通过机器学习算法分析分子结构参数（如疏水度、极性指数）与防腐效率、抗氧化活性之间的相关性。模型预测CPN的量子产率较传统香豆素衍生物提升40%，为后续分子修饰提供了理论指导。该模型已获得国际腐蚀协会（NACE）认证，可推广至其他杂环化合物体系的性能预测。

在绿色化学方面，研究采用水相合成工艺，原料利用率达78%，较传统有机溶剂法降低碳排放62%。特别设计的两相催化体系（水/正己烷）使反应选择性提高至95%，废液处理成本降低40%。这些创新为开发环境友好型防腐材料开辟了新路径。

该研究已获得阿尔及利亚科学基金会（DGRSDT）和ATRST科技局的联合资助，其成果被纳入《非洲腐蚀防护技术白皮书（2023版）》。目前研究团队正与波士顿儿童医院合作，评估CP系列化合物在儿童抗生素耐药菌感染中的临床潜力。初步数据显示，CPV对耐药肺炎链球菌的抑制效果与现有抗生素相当，且具有更好的生物相容性。

未来研究方向包括：1）开发pH响应型智能防腐材料，通过分子结构设计实现腐蚀环境的自适应调节；2）构建"防腐-抗菌-抗氧化"三联用体系，研究复合涂层在极端工业环境中的协同防护效应；3）探索纳米结构调控技术，制备具有分级多孔结构的防腐薄膜，提升长效防护性能。这些研究进展有望推动多功能防腐蚀材料在智慧城市基础设施、生物医学工程等领域的广泛应用。