三嗪席夫碱作为工业重要钢材材料防腐剂的开发:实验与量子分析

《Journal of Molecular Structure》:Development of Triazine Schiff base as Corrosion Inhibitor for Industrially Important Steel Material: Experimental and Quantum Analysis

【字体: 时间:2026年04月22日 来源:Journal of Molecular Structure 4.7

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  1. 该研究通过实验和计算方法评估了新型非毒性有机化合物2-氨基-4-甲氧基-6-甲基(苯基甲基亚胺)三嗪(AMMBT)对1M HCl中 mild steel的腐蚀抑制性能,发现其抑制效率达89%(100 μM),并形成Langmuir吸附的致密保护膜,DFT计算证实其通过N/O杂原子孤对电子和π电子与金属表面强吸附作用抑制腐蚀。

  
Naveenkumar C|Dileep R|Ranganatha S
印度班加罗尔Rajanakunte市Presidency大学化学系,邮编560064

摘要

本研究采用实验和计算方法,评估了一种新合成的有机化合物2-氨基-4-甲氧基-6-甲基(苯亚基)1,3,5-三嗪(AMMBT)在1 M盐酸(HCl)介质中对低碳钢的防腐性能。该化合物无毒且具有药用价值。通过重量分析和电化学技术(包括电位动力学极化和电化学阻抗谱(EIS)评估了AMMBT的抑制效率。结果表明,抑制效率随浓度增加而提高,在100 μM时达到最大值89%。极化研究表明AMMBT表现为混合型抑制剂。温度依赖性研究(303–333 K)表明,其吸附过程遵循朗缪尔等温线,并且是放热反应。扫描电子显微镜(SEM)和能量分散X射线光谱(EDX)的表面表征证实了AMMBT在低碳钢表面形成了保护性吸附膜。密度泛函理论(DFT)计算表明,AMMBT的中性和质子化形式通过杂原子(N和O)的孤对电子以及共轭系统的π电子与金属表面发生强烈相互作用。

引言

低碳钢因其优异的机械性能和低成本而在众多工业应用中得到广泛使用。然而,它在酸性环境中极易腐蚀。酸常用于酸洗、清洗、除垢和油井酸化等工业过程,其中盐酸(HCl)因其低成本、高效率和易于处理而成为首选[[1], [2]]。腐蚀,特别是在恶劣条件下,是限制这类材料使用寿命的主要因素[[3], [4]]。腐蚀是一种电化学过程,当金属与其环境相互作用时会发生逐渐降解[[5], [6], [7], [8]]。这种现象影响铝、钢、铜及其合金,导致全球范围内的重大经济损失[[9], [10]]。因此,由于腐蚀导致的材料退化已成为工业和基础设施领域的严重问题[[11], [12]]。最新估计显示,全球每年的腐蚀成本超过2.5万亿美元,占全球GDP的约3.4%[[13], [14]]。因此,有效控制腐蚀仍然是一个重要的科学和技术挑战。在各种方法中,使用防腐剂被认为是减少金属在腐蚀性介质中溶解的最有效方法之一[[15], [16]]。全面了解腐蚀机制和抑制剂性能对于设计改进的低碳钢防护策略至关重要[[17], [18], [19], [20], [21], [22]]。
近年来,大量研究致力于开发既经济又环保的防腐剂。在各种有机化合物中,Schiff碱(SB)衍生物因其在酸性介质中的防腐应用而受到关注。这主要是由于它们的高抑制效率、简单的合成路线以及廉价起始材料的可用性[[23], [24], [25], [26], [27]]。含有氮、氧和硫等杂原子的有机抑制剂已知能与金属表面发生强烈相互作用,从而提高耐腐蚀性。特别是基于三嗪的化合物特别受关注,因为它们的结构中含有氮、氧原子和π电子,这些成分有助于在金属表面形成强吸附[[28], [29]]。
三嗪衍生物具有多种生物和药理活性,包括镇痛[30]、抗菌[31]、抗疟疾[32]、抗病毒[33]以及抗肿瘤和细胞毒性[34]作用。此外,三嗪衍生物在金属配合物的形成中作为配体也起着重要作用[[35], [36], [37]],并用于测定过渡金属的光谱方法[[38]]。
许多基于Schiff碱的三嗪衍生物已被证明是有效的防腐剂;然而,详细比较表明,所研究的化合物AMMBT具有明显优势,尤其是在较低浓度下表现更佳。例如,Schiff碱抑制剂MBSB在0.5 M HCl中100 ppm浓度下的抑制效率为94.78%,而PTA-2和PTA-3在0.25 M H?SO?中120 ppm浓度下的抑制效率分别为96.5%和93.4%[[39], [40]]。相比之下,AMMBT在1 M HCl中100 μM浓度下的抑制效率即可达到89%。这一对比清楚地表明,微摩尔浓度远低于ppm水平,说明AMMBT可以用更少的抑制剂量提供显著的防腐效果。这种性能表明AMMBT分子在金属表面具有强烈的吸附倾向,这可能得益于其多个活性中心(包括氮原子、氧原子和芳香环)的存在,这些中心增强了与基底的相互作用。此外,在较低剂量下实现类似的抑制效率反映了分子效率和潜在的成本优势。因此,尽管绝对效率略低,但从浓度角度来看,AMMBT仍可被视为更有效的抑制剂,突显了其在实际防腐应用中的适用性。
本研究探讨了一种新合成的三嗪衍生物AMMBT作为1 M HCl溶液中低碳钢的有效防腐剂。在303–333 K的温度范围内研究了其效果,以模拟工业操作条件并了解抑制剂的热稳定性和吸附行为。通过电位动力学极化(PP)、电化学阻抗谱(EIS)和重量法评估了其抑制性能。还研究了AMMBT在低碳钢表面的吸附行为。扫描电子显微镜(SEM)的表面形态分析证实了保护性膜的形成。此外,还进行了密度泛函理论(DFT)计算,以阐明该化合物的吸附机制和防腐行为。

所需化学品和材料

用于制备溶液的所有化学品均为AR级。有机化合物如苯甲醛(C6H5CHO, 99%)和2-氨基-4-甲氧基-6-甲基-1,3,5-三嗪(C5H8N4O, 98%)从SRL Pvt. Ltd.购买。Schiff碱使用上述反应物合成,甲醇(CH3OH, 99.5%)由Merk公司提供。合成的化合物使用Perkin Elmer红外光谱仪(FTIR)和Agilent 6224 HRMS光谱仪(质谱仪)进行了分析。

FTIR、NMR和质谱的结构分析

FTIR光谱证实了合成化合物中存在关键官能团。1664 cm?1处的峰对应于C=O伸缩振动,表明存在共轭羰基。1563 cm?1处的峰对应于C=N伸缩振动,证实了Schiff碱键的形成。3122 cm?1处的吸收归因于芳香族N–H伸缩振动,表明存在杂环胺基。1158 cm?1处的峰是由于C–O–C伸缩振动,表明存在醚(甲氧基)。

抑制机制

根据电位动力学极化数据,该分子被确认为混合型抑制剂。抑制剂在金属表面的吸附程度对腐蚀抑制至关重要,这种吸附受抑制剂的结构、金属的性质和电荷以及腐蚀介质类型的影响。在本实验中,向生成的Schiff碱中加入了1 M HCl。所选溶剂控制了抑制剂分子的粘度并提高了其稳定性。

结论

研究结果清楚地表明,AMMBT在1 M HCl溶液中是低碳钢(MS)的有效防腐剂。电位动力学极化分析显示,AMMBT表现为混合型抑制剂,有效减少了金属的阳极溶解和阴极氢气释放反应。2-氨基-4-甲氧基-6-甲基(苯亚基)1,3,5-三嗪(AMMBT)在MS表面的吸附行为可以用朗缪尔吸附等温线很好地描述,表明

作者贡献声明

Naveenkumar C:撰写初稿、进行实验、进行正式分析、数据整理。Dileep R:验证结果、使用软件。Ranganatha S:撰写、审稿与编辑、资源管理、项目协调、方法设计、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢印度卡纳塔克邦的Presidency大学提供的实验室设施。
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