5-氨基吲唑衍生物的合成与性能研究：不同温度下低碳钢在硫酸中的腐蚀抑制机制

本研究针对硫酸环境中低碳钢的腐蚀问题，合成了5-氨基吲唑（IND）及其衍生物IND-01和IND-10，通过核磁共振（NMR）和重量法分析，发现IND-10在323 K时抑制效率高达86.97%，显著优于IND（33.68%）和IND-01（51.97%）。吸附等温线和热力学分析表明，IND-10通过化学吸附机制发挥作用，而IND和IND-01在低温下表现为混合抑制（化学吸附-物理吸附）。量子化学计算进一步验证了IND-10的稳定性（ΔE=2.95 eV），为开发高效腐蚀抑制剂提供了新思路。

　　

低碳钢在工业应用中因其优异的机械性能和导电性而广受欢迎，但其在酸性环境中的腐蚀问题一直是工程领域的重大挑战。硫酸（H₂SO₄）因其强腐蚀性，常导致设备寿命缩短和维护成本激增。传统的有机抑制剂虽能缓解腐蚀，但效率有限且受温度影响显著。因此，开发高效、温度适应性强的抑制剂成为研究热点。

南非林波波大学（University of Limpopo）的研究团队聚焦于5-氨基吲唑（IND）及其衍生物的改性研究，通过引入不同功能基团，合成了两种新型化合物IND-01（含硝基）和IND-10（含甲氧基和氯）。研究通过核磁共振（NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证了结构，并利用重量法评估了其在0.5 M H₂SO₄中的抑制效率。结果表明，IND-10在323 K下表现出最高的抑制效率（86.97%），远优于IND-01（51.97%）和母体IND（33.68%）。吸附等温线分析显示，IND-10符合Langmuir模型，以化学吸附为主；而IND更符合Frumkin等温线，表明其以物理吸附为主导。扫描电子显微镜（SEM）图像直观展示了抑制剂在钢表面形成的保护层。量子化学计算进一步揭示，IND-10的较低能隙（ΔE=2.95 eV）和较高电负性（χ=3.43 eV）是其高效抑制的关键。

研究团队采用了多项关键技术：1）通过NMR和FTIR完成衍生物的结构表征；2）重量法测定腐蚀速率和抑制效率；3）Langmuir和Frumkin等温线分析吸附机制；4）SEM观察表面形貌；5）量子化学计算（ADF软件）预测分子反应性。

研究结果分四部分呈现：

1. 合成与表征：IND-01和IND-10通过醛胺缩合与还原反应合成，NMR证实了目标结构，纯度达90%以上。
2. 重量法分析：IND-10在303 K时抑制效率达95.91%，且随温度升高效率下降，而IND-01在高温下效率提升，表明其吸附机制差异。
3. 吸附与热力学：IND-10的ΔG°_ads为-43.9 kJ/mol（303 K），符合化学吸附；IND的ΔG°_ads绝对值较小，以物理吸附为主。
4. 量子化学验证：IND-10的较低ΔE（2.95 eV）和较高ΔN（1.21 eV）支持其电子转移能力，与实验数据一致。

结论指出，IND-10的优异性能归因于其电子给体基团（甲氧基和氯）增强的吸附能力，而IND-01的硝基作为吸电子基团削弱了抑制作用。该研究不仅为硫酸环境中低碳钢防护提供了新策略，还通过分子设计揭示了结构-性能关系，对开发高效抑制剂具有指导意义。论文发表于《Results in Surfaces and Interfaces》，为腐蚀科学领域提供了重要参考。