《Surfaces and Interfaces》：A Comprehensive Study on Anticorrosive Behaviour of New Cationic Surfactant Derived from Pyridine Derivatives: Experimental and Computational Insights
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本研究合成了新型Schiff碱E-N-苯乙基-1-(吡啶-4-基)乙烷-1-胺及其阳离子表面活性剂衍生物。通过元素分析、FT-IR、GC-MS和1H-NMR验证结构，电化学、失重法及DFT计算（B3LYP/6-311+G(d,p)）证明两者在1M HCl中对碳钢有腐蚀抑制效果，且衍生物吸附能更高（?239.443 kcal·mol?1 vs ?137.57 kcal·mol?1）。蒙特卡洛模拟显示吸附符合Langmuir模型，揭示了分子极性与表面活性协同抑制机制。
Mohamed K. Awad | Mohamed A. Hegazy | Faten M. Atlam | Rana M. Mostafa
理论应用化学单元（TACU），化学系，坦塔大学，坦塔，埃及
摘要
合成了新型Schiff碱E-N-苯基-1(吡啶-4-基)乙烷-1-亚胺及其相应的阳离子表面活性剂衍生物(E)-1-十二烷基-4-(1-(苯基亚氨基)乙基)吡啶鎓溴化物。通过元素分析、FT-IR光谱、GC-MS和1H-NMR等方法验证了所合成抑制剂的分子结构。EIS、Tafel极化和重量损失实验表明，这些抑制剂在1 M HCl溶液中能有效抑制碳钢的腐蚀。我们使用B3LYP/6-311+G(d,p)水平的DFT计算优化了分子几何结构，并预测了其在气相和乙醇溶液中的物理化学和光谱性质，以支持实验数据。理论和实验FT-IR光谱显示出高度一致性。为了找到具有最高反应性的分子位置，还研究了HOMO、LUMO、ΔE、MEP和Fukui函数等电子描述符。通过蒙特卡罗模拟研究了这些化学物质在碳钢表面的吸附行为。建模结果证实，该表面活性剂衍生物的吸附能量（-239.443 kcal·mol^-1）显著高于母体Schiff碱（-137.57 kcal·mol^-1）。这些发现为进一步研究腐蚀抑制提供了坚实的基础，并表明母体Schiff碱及其表面活性剂衍生物具有抑制碳钢腐蚀的能力。
引言
研究腐蚀机制和抑制方法在材料科学和工业应用中是一个关键领域。许多有机化合物被广泛用于减缓金属腐蚀，尤其是在酸性介质中[[1], [2]]。表面活性剂是一种两亲分子，由于其极性亲水头部和非极性疏水尾部，可以降低表面张力和界面张力[3]。由于这些分子具有双重特性，它们倾向于在表面上以有序的方式排列，促进相间作用（疏水-亲水不相溶界面和气-液边界）。这降低了表面张力，使得表面活性剂可以在许多工业应用中得到使用[4]。因此，开发环保和可持续的表面活性剂受到了极大关注[5]。实验方法为腐蚀抑制机制提供了宝贵的见解；然而，这些方法通常成本高昂且耗时较长。得益于计算机硬件和软件的最新进展，理论化学在腐蚀抑制研究中也发挥了重要作用。为了更好地理解分子性质与化合物抑制腐蚀能力之间的关系，科学家们转向了各种量子化学和分子建模方法[[6], [7], [8]]。应用理论参数有两个主要优势：首先，它可以根据化合物的分子结构直接对其进行表征，无需预先进行实验；其次，它通过详细分析分子的化学反应性来评估其与金属表面的潜在相互作用[9]。
本研究创新之处在于合成了含有苯基官能团的吡啶环Schiff碱及其具有十二烷基链的阳离子表面活性剂衍生物。由于吡啶鎓正电荷和长疏水尾部的协同作用，该阳离子表面活性剂表现出更好的表面吸附性能，从而具有更好的抑制效果，优于以往报道的基于吡啶的Schiff碱。与结构相似的现有化合物相比，其主要优势在于这种双重活性：通过吡啶/吡啶鎓部分实现选择性吸附，并通过长烷基链生成表面膜。本研究旨在合成新型抑制剂，即(E)-N-苯基-1-(吡啶-4-基)乙烷-1-亚胺（Schiff碱）和(E)-1-十二烷基-4-(1-(苯基亚氨基)乙基)吡啶鎓溴化物（表面活性剂），并评估它们在接触碳钢表面时的腐蚀抑制效率；同时探讨基于吡啶的Schiff碱阳离子表面活性剂在酸性介质中对碳钢的腐蚀抑制性能，并通过电化学、理论和表面分析提供吸附机制的见解。由于计算机硬件和软件的最新进展，理论化学在腐蚀抑制研究中的应用范围得到了扩展。通过多种量子化学方法和分子建模工具，阐明了化合物的腐蚀抑制效果与其分子特性之间的关联。
为了解释实验中的趋势并确定电子特性如何影响耐腐蚀性，应用DFT计算分析了全局和局部反应性描述符Fukui函数，并将其与实验抑制效率相关联。此外，还可以结合FT-IR结果进一步分析分子相互作用。此外，将进行蒙特卡罗模拟以探索抑制剂在碳钢表面的吸附机制。
实验电化学测量结合理论和模拟方法，应能全面理解基于Schiff碱的表面活性剂系统的腐蚀抑制机制。预期这些结果将有助于合理设计高效和可持续的腐蚀抑制剂，并加强分子结构、吸附行为和宏观腐蚀防护性能之间的联系。
总体而言，本研究旨在建立实验结果与理论预测之间的一致性关系，为有效腐蚀抑制剂的设计提供重要见解。
部分摘录
FT-IR光谱
制备的Schiff碱及其表面活性剂的FT-IR特征谱带列在（表1）中。通过DFT-B3LYP/6-311G对观察到的化合物振动频率进行了分析。实验和计算的FT-IR光谱显示在（图1）中。Schiff碱的FT-IR数据揭示了特征吸收带，包括1547.42 cm^-1的明显带，预期的吸收带位于1525.43 cm^-1（=C–C伸缩带），以及1598.97 cm^-1的吸收带；而计算得到的吸收带位于1591.5 cm^-1
碳钢
使用ARL? 4460光学发射光谱仪（美国）测量了钢样品的元素组成（按重量百分比计）：0.08 C、0.025 P、0.026 Si、0.026 Al、0.015 Ni、0.01 S、0.004 Mo、0.003 V、0.280 Mn、0.003 Co、0.005 Cu、0.008 N、0.007 Cr，其余为铁。在每次实验之前，样品表面都经过了逐步使用更粗糙磨料（340、400、600、800、1000和1200）的标准化预处理，然后进行冲洗
结论
- 1.
合成的阳离子抑制剂在1.0 M HCl溶液中降低碳钢腐蚀的效率明显受到浓度和温度的影响。
- 2.
根据电位动力学极化研究，这些抑制剂具有混合类型的作用，同时阻止了阳极铁的溶解和阴极氢的释放过程。
- 3.
抑制剂在碳钢表面的吸附行为符合Langmuir吸附等温线模型。
CRediT作者贡献声明
M.K.Awad：概念构思、形式分析、研究方法、监督、验证、撰写、审阅与编辑
M.A.Hegazy：概念构思、撰写 – 审阅与编辑、可视化、验证、监督、研究方法、概念构思
F.M.Atlam：概念构思、形式分析、研究方法、监督、验证、撰写、审阅与编辑
R.M.Mostafa：实验分析、可视化、撰写初稿
数据可用性
本研究中生成和/或分析的数据集作为“数据可用性”补充文件提供
CRediT作者贡献声明
Mohamed K. Awad：撰写 – 审阅与编辑、验证、软件、研究方法
Mohamed A. Hegazy：撰写 – 初稿、资源准备、研究方法撰写 – 审阅与编辑、可视化、软件、研究方法
Rana M. Mostafa：撰写 – 初稿、研究方法
利益冲突声明
作者声明他们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。
作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突
