羟基脂肪族氨基酸及其肽衍生物作为碱性介质中铜的绿色缓蚀剂：DFT与MD模拟研究

针对铜在碱性环境中的腐蚀问题，研究人员通过密度泛函理论(DFT)和分子动力学(MD)模拟，系统研究了含羟基脂肪族氨基酸(Ser/Thr)及其二肽的缓蚀机制。结果表明，肽键形成使吸附能从-22 kcal·mol?1显著提升至-48 kcal·mol?1，其中Ser-Thr复合物展现出最优异的缓蚀性能，为开发环保型肽基缓蚀剂提供了理论依据。

　　

铜及其合金在海洋工程和电子工业中具有不可替代的作用，但长期暴露于潮湿、含氯或碱性环境会导致严重腐蚀。传统缓蚀剂如苯并三氮唑虽有效却存在环境毒性，而氨基酸类绿色缓蚀剂在酸性介质中的研究较多，碱性环境下的作用机制尚不明确。更关键的是，如何通过分子设计提升缓蚀效率仍是领域内亟待解决的难题。

俄罗斯科学院的研究团队在《Biosafety and Health》发表论文，创新性地将含羟基脂肪族氨基酸（丝氨酸Ser、苏氨酸Thr）及其二肽（Ser-Ser、Thr-Thr、Ser-Thr）作为研究对象，通过密度泛函理论(DFT)计算结合分子动力学(MD)模拟，系统揭示了这些分子在0.5 M NaOH+3.5% NaCl碱性体系中对铜(111)晶面的缓蚀机制。研究发现，肽键形成可显著增强分子与铜表面的相互作用，其中Ser-Thr异源二肽表现出最优异的性能，吸附能达-48 kcal·mol^?1，原子间距缩短至2.3-2.9 ?，为开发新型环保缓蚀剂提供了重要理论支撑。

研究采用三大关键技术：1) 基于DFT的量子化学计算（HOMO/LUMO轨道、Fukui函数分析）；2) 分子动力学模拟（8×8原子层Cu(111)表面模型）；3) 全局反应性描述符（Mulliken电荷分布、吸附能计算）。

吸附系统模型
建立8原子层Cu(111)超晶胞模型，真空层厚度60 ?，确保周期性边界条件下吸附行为的准确性。

前沿分子轨道
FMO分析显示Ser-Thr的能隙ΔE最小（4.32 eV），表明其电子转移能力最强。HOMO轨道集中于肽键和羟基，证实这些基团是主要吸附活性位点。

分子动力学结果
MD轨迹显示二肽分子呈平行吸附构型：Ser-Ser和Thr-Thr的吸附能分别为-46和-45 kcal·mol^?1，而Ser-Thr达-48 kcal·mol^?1。关键原子间距（O···Cu和N···Cu）缩短至2.3-2.9 ?，形成稳定配位键。

讨论与结论
该研究首次阐明羟基氨基酸肽衍生物在碱性介质中的缓蚀机制：1) 肽键引入增加吸附位点，提升电子给体能力；2) Ser与Thr的协同效应使异源二肽性能优于同源二肽；3) 分子平行吸附构型最大化表面覆盖度。这项工作为设计环境友好型肽基缓蚀剂提供了新思路，特别适用于海洋工程中铜构件的长效防护。未来研究可拓展至三肽及以上体系，并需通过电化学实验验证理论预测。