一些噻唑衍生物的合成、表征及DFT研究及其在1 M HCl中对碳钢的缓蚀性能

《Chemistry & Biodiversity》：Synthesis, Characterization, and DFT of Some Thiazole Derivatives as Carbon Steel Corrosion Inhibitors in 1 M HCl

　　

研究人员通过将2-(1-(4-氨基苯基)亚乙基)肼-1-硫代酰胺（1）与多种α-卤代羰基化合物（如3-氯戊烷-2,4-二酮（2）和1-氯-1-((4-取代苯基)二氮烯基)丙-2-酮（4a–c））反应，合成了一系列新的噻唑衍生物3和5a–c。通过光谱分析对新的取代噻唑衍生物3、5a、5b和5c进行了表征，并考察了它们在1 M HCl中抑制低碳钢腐蚀的能力。结果表明，缓蚀效率随浓度增加而升高，在5 g/L（93%）时达到峰值。电荷转移电阻（Rct）从36 Ω cm²（空白）增加到5 × 10^?3 M浓度下的370.87 Ω cm²。在升高的温度下（298 K，5 × 10^?3 M浓度），缓蚀效率（IE%）的顺序为5c 95.10% > 5b 92.56% > 5a 89.01% > 3 83.41%。吸附遵循Langmuir等温线，且ΔG_ads为负值，表明吸附过程是自发的。扫描电子显微镜（SEM）的表面分析结果与之前的实验结果一致。此外，化合物5c的能隙（ΔE）= 1.99 eV，且具有较高的E_HOMO值，表明其具有显著的抑制活性。DFT计算确定噻唑衍生物5c是最有效的缓蚀剂。这些计算表明，高缓蚀效率源于噻唑衍生物中含有高电子密度的基团。

**噻唑衍生物作为碳钢在1 M HCl中缓蚀剂的研究解读**

碳钢因其优异的机械性能、易加工性和低成本，被广泛用于化工、石油精炼、金属加工等工业领域，常作为管道、储罐和酸处理设备的结构材料。然而，在酸洗、酸清洗和油井酸化等过程中，碳钢在盐酸溶液中极易发生严重腐蚀。添加缓蚀剂是抑制金属腐蚀的有效策略，有机分子若含有磷、硫、氮、氧等杂原子以及多重键，可通过杂原子孤对电子或π电子吸附在金属表面形成保护膜，从而降低腐蚀速率。噻唑类化合物同时含有氮和硫杂原子，且其芳香环具有共轭π电子体系，被证明在酸性介质中具有优异的缓蚀性能。为了更好地理解分子结构与缓蚀效率的关系，并开发更高效率的环境友好型缓蚀剂，研究人员设计合成了一系列含1,3-噻唑骨架的新型杂环化合物，并系统评价其对碳钢在1 M HCl中的缓蚀性能。该研究发表于《Chemistry》。

研究人员通过2-(1-(4-氨基苯基)亚乙基)肼-1-硫代酰胺（1）与3-氯戊烷-2,4-二酮（2）及1-氯-1-((4-取代苯基)二氮烯基)丙-2-酮（4a–c）反应，合成了新的5-乙酰基噻唑衍生物3和4-甲基-5-(芳基二氮烯基)噻唑衍生物5a–c。利用红外光谱（FTIR）、核磁共振（¹H NMR、¹³C NMR）和质谱（MS）确认了化合物结构。通过开路电位（OCP）、动电位极化（PDP）、电化学阻抗谱（EIS）、SEM、吸附等温线、失重法及密度泛函理论（DFT）和Monte Carlo模拟评价了缓蚀性能。结果表明，缓蚀效率随浓度增加而提高，在5 × 10^?3 M浓度下，缓蚀效率顺序为5c（95.10%）> 5b（92.56%）> 5a（89.01%）> 3（83.41%）。电荷转移电阻从空白的36 Ω cm²增至5c的370.87 Ω cm²，证实了致密保护膜的形成。吸附行为符合Langmuir等温线，ΔG_ads为负值，表明吸附为自发过程。SEM显示，经缓蚀剂处理后的碳钢表面更为光滑、腐蚀损伤明显减少。DFT计算显示化合物5c具有较高的E_HOMO和较小的能隙（ΔE = 1.99 eV），有利于电子向铁表面转移。Monte Carlo模拟进一步表明所有化合物在Fe(110)表面均呈自发吸附，其中5c的吸附能最强。理论计算结果与电化学实验顺序基本一致，证实具有高电子密度基团的噻唑衍生物能显著提高缓蚀效率。

本研究采用的关键技术方法包括：基于Hantzsch反应的有机合成；FTIR、NMR和MS结构表征；三电极体系下的OCP、PDP和EIS电化学测试，工作电极为碳钢（组成含C 0.167%、Mn 1.53%、Si 0.21%等）；失重法；SEM表面形貌观察；Langmuir吸附等温线分析；DFT计算（B3LYP/6-31G(d,p)基组）和Monte Carlo模拟（COMPASS II力场）。

研究结果按原文小标题总结如下。

**2.1 Chemistry**