《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Synthesis, electrochemical evaluation and theoretical study of new carbohydrate-derived triazoles as corrosion inhibitors for API 5L X70 steel in 1M HCl aqueous solution
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本研究系统评估了四类含嘧啶酮的有机抑制剂（ATT4、GTT5、ATT6、GTT7）对API 5 L X70钢在1M HCl中的腐蚀防护性能，发现10ppm ATT4抑制效率最高（91.4%），GTT7在72h浸渍后仍保持89%的抑制率。电化学分析表明抑制剂通过Langmuir吸附模型形成致密保护层，其中GTT5和ATT6呈现物理化学吸附协同机制，而ATT4和GTT7以化学吸附为主。DFT计算揭示了嘧啶酮基团与钢表面的强化学键合作用。
Aurea Carolina Rodríguez Hernández | Araceli Espinoza Vázquez | Ricardo Galván Martínez | Ricardo Orozco Cruz | Alma Sánchez Eleuterio | Guillermo E. Negrón Silva | Alan Miralrio | Miguel Castro
墨西哥韦拉克鲁斯大学微纳技术研究中心（Microna），Adolfo Ruíz Cortines大道455号，Costa Verde，94294，Boca del Río，韦拉克鲁斯州
摘要
本文系统评估了四种有机抑制剂：a) 吡喃基三唑-茶碱-4（ATT4）、b) 吡喃糖基三唑-茶碱-5（GTT5）、c) 吡喃基三唑-可可碱-6（ATT6）和d) 吡喃糖基三唑-可可碱-7（GTT7），作为API 5L X70钢在1M HCl中的新型防腐剂，研究在静态条件下的效果，旨在探讨其在石油工业中的潜在应用。这些化合物源自茶碱和可可碱结构，因其分子中含有丰富的杂原子和π电子，能够与金属表面形成强相互作用。
通过电化学技术（开路电位（OCP）、电化学阻抗谱（EIS）和电位动态极化曲线（PDP）评估了这些抑制剂的防腐性能。结果显示，在10 ppm浓度下，ATT4的抑制效果最佳（91.4%），其次是ATT6（89.1%）、GTT7（87.9%）和GTT5（75.3%）。防腐效果显著受浸泡时间影响。在所研究的化合物中，GTT7具有优异的长期稳定性，72小时后仍能保持有效的表面保护，抑制效率为89%，而其他抑制剂则因快速从金属表面脱附而效率显著下降。
电化学实验表明，所有抑制剂均通过吸附在金属表面形成致密的保护性单层，显著提高了API 5L X70钢的耐腐蚀性，其吸附行为符合朗缪尔等温线模型。热力学和电化学分析表明，GTT5和ATT6的抑制机制主要是化学吸附与物理吸附的协同作用，而ATT4和GTT7则以化学吸附为主。为阐明分子层面的吸附机制，采用了校正后的密度泛函理论（DFT-D）进行计算。研究结果表明，可可碱和茶碱结构是优先的相互作用位点，能与钢表面形成强化学键。此外，电荷转移实验进一步证实了有机抑制剂与金属之间的相互作用，支持了这些化合物作为石油工业酸性环境防腐剂的有效性。
引言
腐蚀是金属基础设施退化和损坏的主要原因之一，导致维修、更换、产品损失、安全隐患和环境污染等经济损失。腐蚀带来的直接成本对政府及能源行业企业构成重大经济负担。
低合金碳钢在石油和天然气勘探中具有重要作用，API 5L X70钢是最常用的管道材料之一。尽管其机械性能优异，但该钢材极易受到含溶解盐、腐蚀性物质和酸性成分的多相油流的影响而发生内部腐蚀。因此，需要实用、高效且易于应用的防腐策略来保护管道完整性，防止与碳氢化合物运输相关的环境灾难。
石油公司在多种工业过程中广泛使用矿物酸，如盐酸，用于表面清洁、除锈、脱垢、酸化油井、矿物提取等。然而，钢部件在酸环境中长期暴露会导致严重腐蚀。为减缓这种腐蚀，使用防腐剂是最有效且经济可行的预防措施。
传统的防腐方法依赖于表面改性和涂层技术，其中防护涂层和防腐剂应用最为广泛。有机抑制剂在石油和天然气工业、冷却水系统及酸洗等化学清洗过程中得到广泛应用，因为强酸性溶液会导致金属严重损失。根据化学成分，防腐剂可分为有机或无机两类，其中许多产品已商业化并在工业中得到广泛应用。
有机抑制剂在酸性介质中对金属保护尤为有效，包括合成化合物、过期药品、聚合物系统和植物提取物。研究表明，含有π电子和杂原子（如氮、氧、硫、磷）的有机分子可通过物理和化学作用吸附在金属表面，表现出优异的防腐性能。近年来，通过实验和理论方法研究了分子结构与抑制效果之间的关系，强调了官能团、分子大小和电子性质对吸附行为和防腐效果的影响。
在酸洗过程中，有机抑制剂可防止金属过度溶解和氢脆现象。然而，许多商用有机抑制剂存在成本高、生物降解性差、毒性强及对环境和人体健康有害等缺点。因此，开发环保、低毒性和可生物降解的防腐剂成为研究重点。
基于三唑的有机化合物因环境友好性和强防腐性能而受到关注。三唑含有多个氮和氧杂原子，可在钢表面形成稳定吸附层，已在碳钢系统中证明具有高效防腐效果。此外，三唑衍生物在医药领域也展现出抗炎、抗菌和抗结核活性，进一步增强了其作为低毒性防腐剂的潜力。
为开发可持续的防腐剂，最近研究了源自碳水化合物的三唑衍生物，这些化合物结合了可再生前体和富含杂原子的分子结构，既提高了环保性又保持了优异的防腐效果。本文研究了四种新合成的三唑衍生物在静态条件下的防腐性能，评估了抑制剂浓度和浸泡时间的影响，并分析了其与钢表面的相互作用机制。
实验部分
合成
所有试剂均直接使用市售产品，未进行纯化处理。除非另有说明，溶剂均为技术级且使用前新鲜蒸馏。柱层析使用70–230目硅胶。熔点数据采用Fisher-Johns仪器测定，未经校正。核磁共振（NMR）谱在Bruker Ascend-400（400 MHz）和Bruker Avance DMX-400（400 MHz）光谱仪上记录，溶剂为CDCl3或acetone-d6，化学位移以ppm为单位表示。
结果与讨论
开路电位测量
图4显示了API 5L X70钢样品在含有不同抑制剂（4a) 吡喃基三唑-茶碱-4、4b) 吡喃糖基三唑-茶碱-5、4c) 吡喃基三唑-可可碱-6和4d) 吡喃糖基三唑-可可碱-7的盐酸溶液中浸泡时的Ecorr变化情况。测量时确保样品达到稳态。图4清晰显示了……
结论
电化学研究表明，四种源自碳水化合物的三唑抑制剂在1M HCl中能有效保护API 5L X70钢。所有化合物均显著降低了腐蚀速率，主要表现为阳极型抑制剂，其中GTT5在30 ppm浓度下抑制效果最佳（94.9%）。抑制机制是通过分子在钢表面的吸附实现的，符合朗缪尔等温线模型。
局限性
尽管本研究取得了积极结果，但仍存在一些局限性：电化学评估仅在静态条件下的1M HCl中进行，未能完全反映实际工业环境中的动态流动、温度波动和复杂化学条件。因此，这些抑制剂在流動条件下的性能尚待验证。
此外，实验中的浓度范围有限……
作者贡献声明
Aurea Carolina Rodríguez Hernández： 方法学设计、数据整理。
Araceli Espinoza Vázquez： 文稿撰写与审稿、方法学设计、数据分析。
Ricardo Galván Martínez： 数据验证、实验分析。
Ricardo Orozco Cruz： 数据验证、实验分析。
Alma Sánchez Eleuterio： 数据分析、方法学设计。
Guillermo E. Negrón Silva： 文稿撰写与审稿、方法学设计、数据分析。
Alan Miralrio： 文稿撰写与审稿、方法学设计、数据分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
