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Niraparib抑制酸性环境中低碳钢腐蚀的机制通过DFT、MC和MD模拟系统研究，揭示了羰基、C-N键和芳香共轭基团与金属表面的相互作用，证实其高化学活性（HOMO-LUMO间隙1.108 eV）和负吸附能（-2.21×10^5 kcal/mol），形成致密保护层阻碍Cl?渗透。
Narasimha Raghavendra | Leena V. Hublikar
印度卡纳塔克邦班加罗尔KLE Society’s S. Nijalingappa学院化学系，邮编560010
摘要
腐蚀仍然是世界上的一个重大问题，对工作安全构成威胁并造成巨大的经济损失。本研究的创新之处在于对一种药物分子作为环保型腐蚀抑制剂的进行了全面的理论评估，通过结合密度泛函理论（DFT）计算的光谱特征与分子动力学模拟（MD）和自由分数体积（FFV）参数，揭示了该分子在酸性介质中对低碳钢的吸附机制及其屏障效应的分子起源。通过记录理论FT-IR、拉曼和NMR光谱，证实了所研究Niraparib药物分子中存在的各种键和官能团。FT-IR光谱分析识别出在酸性环境中与低碳钢表面相互作用的活性官能团（C=O、C-N键及芳香共轭结构）。Niraparib的药物结构得到了振动频率和化学位移值的强有力支持。利用Fukui指数评估了Niraparib的局部反应性。从分子动力学模拟研究中获得的负吸附能值（-2.21×10^5 kcal/mol）以及较低的HOMO-LUMO能隙（1.108 eV）表明其具有较高的化学反应性，从而证明其能够有效吸附在金属表面。分子动力学模拟证实了其稳定的表面吸附行为。径向分布函数（RDF）测量结果进一步验证了MDS关于Niraparib与Fe(110)表面在HCl介质中相互作用能量的结论。MSD和FFV测量结果进一步揭示了其腐蚀抑制性能。MSD值的降低表明抑制剂分子在金属表面的吸附强度较高，形成了耐用的保护层；FFV值的降低则表明抑制剂层具有较低的渗透性，有效阻断了水分子和氯离子等腐蚀性物质的传输。这些结果表明，Niraparib药物中的氮原子、氧原子以及芳香共轭结构促进了其与钢表面的强 donor-acceptor（供体-受体）相互作用。这些结果证明了Niraparib在防止腐蚀方面的有效性和反应性。本研究还探讨了药物分子作为环保型腐蚀抑制剂的应用潜力，符合绿色化学的发展方向。
引言
由于金属（尤其是低碳钢）在恶劣条件（如酸性介质）下的高反应性，其腐蚀问题严重影响了操作安全性和结构强度。建筑、能源、医疗等多个行业都面临着腐蚀带来的经济和环境影响[1][2]。先进的防腐技术估计可将腐蚀造成的经济损失减少15-35%。使用各种抑制剂是防止腐蚀的常用策略，这类抑制剂能为设备、部件和结构提供长期保护，且经济上可行，无需对现有技术系统进行重大改造[3][4]。
近年来，人们对药物分子的抑制性能产生了浓厚兴趣。多项研究表明，某些药物具有潜在的腐蚀抑制效果，尽管在实际应用中规模有限。因此，腐蚀研究开始探索过期药物作为防腐剂的可行性，以降低药品的高成本[5][6][7]。在材料科学和医学研究领域，有机分子与金属表面之间存在密切联系[7]。从药理学角度来看，利用过期药物作为防腐剂是一个值得推广的发展方向。即使过期，这些药物仍具有一定的有效性；若处理不当，它们仍被视为废弃物。高温焚烧是处理过期药物的一种方式，但这会带来严重的环境问题。作为可持续发展目标的一部分，应推动从废物到资源的转化以解决这一问题[1][8]。事实上，使用过期药物还能降低处置成本并减少药物相关环境污染[9]。
计算化学的进步使得开发新的理论模型成为可能，这些模型可以替代繁琐的实验筛选。如今，密度泛函理论（DFT）、蒙特卡洛（MC）和分子动力学（MD）模拟等方法已成为研究抑制剂性能的重要工具[3][10]。这些计算方法在分子层面设计和模拟腐蚀抑制剂方面具有成本效益高、精度高的优势[11]。DFT计算可以预测目标材料的电学性质（如电子亲和力、电离势、全局硬度和化学势等关键参数），从而评估抑制剂与金属表面的相互作用及其稳定性和反应性[12]。Niraparib是一种多ADP核糖聚合酶抑制剂，用于治疗对铂基化疗有反应的原发性腹膜癌、输卵管癌或复发性上皮性卵巢癌。目前尚无计算证据支持其作为HCl介质中低碳钢腐蚀抑制剂的用途。该药物含有羰基、共轭双键和杂原子，这些结构有助于在金属表面形成持久吸附层。这些官能团通过与金属表面的堆叠、氢键及静电相互作用来抑制腐蚀。为了研究Niraparib在金属界面上的吸附行为和抑制机制，本研究选择了纯净的Fe表面作为简化模型。这种方法常用于腐蚀抑制研究，有助于比较吸附强度、电荷转移和膜致密性。尽管氧化物/氢氧化物层和表面电位的影响显著，但它们取决于具体系统，将是后续研究的重点。通过密度泛函理论（DFT）、蒙特卡洛（MC）和分子动力学（MD）模拟可以了解Niraparib在金属表面的吸附性质及其抑制功能的有效性。
计算细节
量子化学计算为腐蚀抑制的分子过程提供了清晰的解释，有助于深入了解吸附过程及相关电学效应。密度泛函理论（DFT）模拟用于研究Niraparib的电学性质和腐蚀抑制效果，明确了其电学结构和吸附机制[13]。
光谱分析
有机化学家广泛使用拉曼和红外（IR）光谱技术来识别官能团、确定分子构象，并通过初步分配基本振动模式来识别反应路径[19][20]。采用DFT/B3LYP方法（6-311G++(d,p) / LANL2DZ基组）对2-[4-[(3S)-3-哌啶基]苯并吲唑-7-羧酰胺分子进行了IR和拉曼分析。
结论
本研究结合密度泛函理论（DFT）、蒙特卡洛（MC）和分子动力学（MD）模拟，系统评估了Niraparib药物分子在酸性环境中对Fe(110)表面的腐蚀抑制性能。DFT结果表明，Niraparib在分子稳定性和电学反应性之间达到了理想平衡，其HOMO-LUMO能隙（ΔE）为1.108 eV，显示出良好的腐蚀抑制效果。
CRediT作者贡献声明
Narasimha Raghavendra博士：撰写、审稿与编辑、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构建。
Leena V. Hublikar博士：结果验证、方法论验证、概念构建
