综述：噻吩基化合物的缓蚀、表面及界面性能综合评述

本综述系统探讨了噻吩及其衍生物作为高效金属腐蚀抑制剂的分子机制与应用前景。文章详细阐述了其独特的σ-供体/π-受体特性、吸附行为（物理吸附与化学吸附）及配位能力，通过电化学测试（EIS/PDP）、表面分析（SEM/XPS）和理论计算（DFT/MDS）验证了其在酸性介质中对多种金属（钢铁/铜/铝）超过95%的抑制效率（%IE），为开发绿色缓蚀剂提供了重要理论依据和实践方向。

　　

1. 引言

1.1. 腐蚀与腐蚀防护：噻吩的贡献

金属材料在工业应用中面临严峻的腐蚀挑战，导致巨大的经济损失，其成本可占发达国家GDP的3–5%。传统无机缓蚀剂（如铬酸盐）虽有效但环境危害大，而有机杂环化合物特别是噻吩衍生物，因其环境友好性和高效性成为研究热点。噻吩核（C₄H₄S）是一种含硫芳香杂环化合物，其硫原子具有两对孤对电子，可作为软配体与金属表面形成强配位键，通过物理吸附和化学吸附机制形成疏水保护层，有效阻断腐蚀介质的侵蚀。其在酸性介质中的高溶解性和可修饰的分子结构进一步增强了其应用潜力。

1.2. 噻吩的腐蚀防护机制：配位与吸附

噻吩的缓蚀机制主要基于其电子捐赠与接受能力。硫原子的孤对电子可进行σ-捐赠，而共轭π体系则可进行π-反馈捐赠，形成稳定的金属-抑制剂复合物。根据硬软酸碱理论（HSAB），噻吩作为软碱优先与软酸金属（如Fe、Cu）配位。电子给体取代基（如烷基、烷氧基）可增强其配位能力，而吸电子基团则产生负面影响。吸附过程通常符合Langmuir等温模型，涉及水分子从金属表面的置换，形成致密吸附层。

2. 噻吩的合成、表征及工业应用

2.1. 噻吩的常见合成路线

噻吩可通过多种方法合成，包括Paal-Knorr反应、Gewald反应以及金属催化交叉偶联反应。现代合成方法如Domino合成和铑催化转环反应提高了产物的区域选择性和效率。例如，通过烷醇与元素硫的脱水环化可高效制备取代噻吩。

2.2. 合成噻吩的表征分析

噻吩衍生物的结构通过NMR（¹H NMR、¹³C NMR）、FTIR、MS、XRD和XPS等技术确认。表面形貌和元素组成通过SEM、EDX、AFM和TEM表征，而热行为则通过TGA和DSC分析。这些技术共同验证了分子的合成成功及其与金属表面的相互作用。

2.3. 噻吩的潜在工业与生物应用

噻吩衍生物在医药（抗菌、抗炎、抗癌）、有机电子（太阳能电池、OFETs）和腐蚀防护等领域有广泛应用。其生物相容性和多功能性使其成为跨学科研究的热点。

3. 噻吩腐蚀防护的评价方法与机制

3.1. 实验方法

腐蚀评价采用重量损失（WL）、电化学方法（EIS、PDP、EFM）和表面分析（SEM、AFM）。EIS通过电荷转移电阻（R_ct）和双电层电容（C_dl）变化评估抑制效率，而PDP则揭示抑制剂的阴/阳极抑制特性。表面覆盖度（θ）和抑制效率（%IE）是关键参数。

3.2. 计算方法

密度泛函理论（DFT）计算前沿分子轨道（HOMO/LUMO）、能隙（ΔE）、化学硬度（η）和静电势（MEP），预测分子的反应活性。分子动力学模拟（MDS）和蒙特卡洛模拟（MCS）模拟吸附构型和结合能，与实验结果高度一致。机器学习（ML）和QSAR模型用于预测抑制剂性能，加速分子设计。

3.3. 噻吩的防护机制

噻吩分子在酸性介质中质子化后，通过静电吸引与带负电荷的金属表面结合，置换水分子形成吸附层。吸附过程包括初始物理吸附和后续化学吸附，其中杂原子（S、N、O）和π电子是主要吸附位点。保护机制涉及对阴、阳极反应的同时抑制，形成有效的扩散屏障。

4. 噻吩驱动的抑制策略：文献综述

4.1. 噻吩基抑制剂用于铁（亚铁）合金

噻吩衍生物在钢铁/酸性介质体系中表现出卓越的缓蚀性能。例如，Schiff碱衍生物在1 M HCl中对碳钢的%IE可达97%，吸附符合Langmuir模型。XPS分析证实了Fe-S和Fe-N键的形成，表明化学吸附的存在。分子设计中的给电子基团（如–OCH₃）可显著提升性能。金属配合物（如Cu(II)/噻吩复合物）通过增强平面性和电子密度进一步提高了抑制效率。

4.2. 噻吩基抑制剂用于非铁金属与合金

噻吩化合物对铜、铝、锌等非铁金属也有效。在Cu/HNO₃体系中，2-噻吩乙醇（TE）的%IE超过92%，吸附为混合型。对于铝合金，噻吩羧酸衍生物通过羧基氧原子与表面形成配位键，提供显著保护。在Zn/H₃PO₄体系中，2-噻吩甲醛（TCAI）的%IE达96.26%，证实其多金属适用性。

5. 噻吩基抑制剂与其他常见有机抑制剂的比较分析

噻吩衍生物的抑制效率（85–99%）与N-杂环（咪唑、三唑）相当，但优于O-杂环（香豆素）和P-杂环（膦酸盐）。其优势在于硫原子的软配体特性和π-金属相互作用，形成更紧凑的吸附层。噻吩的成本效益和可修饰性使其具有工业化潜力。

6. 当前局限与未来展望

当前研究局限包括长期稳定性数据缺乏、真实工业环境验证不足以及某些衍生物的环境持久性问题。未来工作应聚焦于绿色合成、分子功能化（如引入纳米材料）、多金属体系测试以及人工智能辅助设计，以推动其工业应用。

7. 结论

噻吩基化合物是一类高效、多功能的腐蚀抑制剂，其通过强吸附和配位作用在多种金属表面形成保护层。结合实验与理论方法，研究揭示了其电子结构与性能之间的构效关系。通过进一步优化分子设计和评估环境 impact，噻吩衍生物有望成为下一代绿色缓蚀剂的重要组成部分。