编辑推荐：
本研究评估了三种氨基酸嘧啶-酞嗪衍生物（APPZ）作为盐酸中低碳钢的腐蚀抑制剂，采用重量损失、电化学阻抗谱、电位动力极化及表面表征等实验和计算方法，证实APPZ I在0.63 mmol/L时抑制效率达97.8%，其甲氧基取代基通过增强吸附能（?143.78 kcal/mol）显著提升性能，抑制机制为混合型Langmuir吸附及电荷转移。
苏迪尔（Sudheer）| M.A. 库拉希（M.A. Quraishi）| 拉姆齐·贾尔加姆（Ramzi Jalgham）| 萨瓦什·卡亚（Sava? Kaya）
印度北方邦勒克瑙大学理学院化学系，勒克瑙，226007
摘要
本研究评估了三种氨基吡唑邻苯二甲酰嗪衍生物（APPZs）在1 M HCl溶液中作为低碳钢腐蚀抑制剂的效果。通过重量损失、电化学阻抗谱（EIS）、电位动力学极化（PDP）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和计算方法研究了其抑制性能。重量分析表明，活化能从空白溶液的29.11 kJ mol?1增加到受抑制体系的45.08–55.77 kJ mol?1。吸附遵循朗缪尔等温线，标准自由吸附能（ΔG°ads）介于?27至?40 kJ mol?1之间，表明吸附为物理吸附和化学吸附的混合类型。EIS结果显示，腐蚀控制通过电荷转移机制实现，该机制用恒相位元素（CPE）进行了建模。APPZ I的电荷转移电阻（Rct）增加到438.5 Ω。在0.63 mmol L?1浓度下，APPZ I的抑制效率最高，达到97.8%，其抑制效果排序为APPZ I > APPZ II > APPZ III。PDP曲线显示所有APPZ抑制剂均表现出混合型抑制作用，同时抑制了阳极和阴极反应。SEM/AFM表面表征证实金属表面形成了保护膜。此外，蒙特卡洛模拟表明，APPZ I中的甲氧基取代基与其优异的吸附能（?143.78 kcal mol?1）相关。
引言
自古以来，材料在人类生活中发挥了重要作用。随着技术的快速进步和工业的发展，材料的重要性进一步增加。在工程材料中，低碳钢广泛应用于石油化工、油气、矿物加工和化学工业等领域，这主要归功于其优异的机械强度、易于加工和低生产成本[1,2]。然而，低碳钢在酸性环境中的耐腐蚀性较差[3,4]。酸洗、酸清洗、除垢和油井酸化等工艺涉及矿物酸的使用，其中盐酸是最常用的矿物酸。持续接触盐酸会导致低碳钢快速降解，从而造成严重的经济损失、安全隐患和增加维护成本[5,6]。多年来，人们开发了多种腐蚀控制策略，包括材料选择、优化设计、表面改性、保护涂层和环境控制[7]。尽管这些方法有效，但许多方法成本较高且可能带来环境问题。相比之下，有机腐蚀抑制剂提供了一种简单、经济且高效的替代方案[8,9]。它们通过吸附在金属表面形成保护层来减少腐蚀。含有氮、硫和氧原子的杂环有机化合物表现出优异的抑制性能[10,11]。π电子系统和芳香环的存在进一步增强了它们的吸附能力[12]。含氮衍生物在酸性环境中对低碳钢的抑制效果尤为显著。例如，1-苄基-3-苯基-2-硫脲（在1 M HCl中的抑制效率为94.99%[13]）、咪唑衍生物（在0.5 M H?SO?中的抑制效率为98.9%[14]）、N-(2-氨基苯基)-2-(5-甲基-1H-吡唑-3-基)乙酰胺（在1 M HCl中的抑制效率为93%[15]）、3-硝基邻苯二甲酸（在1 M HCl中的抑制效率为80.51%[16]）和哌嗪衍生物（在1 M HCl中的抑制效率为88.51%[17]）均通过朗缪尔/Temkin吸附和混合型电位动力学极化（PDP）实验显示出高抑制效率。大量文献证明吡唑衍生物是低碳钢的有效抑制剂[[18], [19], [20], [21]]。例如，El Arrouji等人[22]和Cherrak等人[23,24]报告在1 M HCl中的抑制效率超过94%。这些混合型抑制剂遵循朗缪尔吸附机制，通过电化学研究和密度泛函理论（DFT）计算得到验证。Rashid等人[25]、Matine等人[26]、Adlani等人[27]和Zaidi等人[28]也在1 M HCl中获得了89–95%的抑制效率，所有结果均通过朗缪尔吸附和电化学及DFT得到证实。邻苯二甲酰嗪化合物也已成为该领域的重要研究方向[29,30]。Moussa等人[31,32]展示了低碳钢的强效保护作用，Abdullah等人[33,34]证实了邻苯二甲酰酮衍生物在HCl和0.5 M H?SO?中的抑制效率约为90%。Thabet等人[35]最近报道了壳聚糖-邻苯二甲酰二酮 conjugates的抑制效率为95.38%。这些研究揭示了这些化合物通过物理吸附、化学吸附或混合机制在低碳钢表面的吸附过程。电化学分析、原子力显微镜（AFM）和分子模拟结果一致支持这些发现。尽管个别杂环化合物已取得进展，但氨基吡唑邻苯二甲酰嗪衍生物作为腐蚀抑制剂的研究仍相对较少。它们的结构特征（如扩展的π共轭、多个杂原子和芳香骨架）表明具有很强的吸附能力，从而提高抑制效率。因此，本研究考察了三种氨基吡唑邻苯二甲酰嗪衍生物：3-氨基-1-(4-甲氧基苯基)-5,10-二氧-5,10-二氢-1H-吡唑[1,2-b]邻苯二甲酰嗪-2-碳腈（APPZ I）、3-氨基-1-苯基-5,10-二氧-5,10-二氢-1H-吡唑[1,2-b]邻苯二甲酰嗪-2-碳腈（APPZ II）和3-氨基-1-(4-硝基苯基)-5,10-二氧-5,10-二氢-1H-吡唑[1,2-b]邻苯二甲酰嗪-2-碳腈（APPZ III）作为腐蚀抑制剂。这些衍生物在药物化学中常用作杂环骨架，可用于制备水溶性测试体系，且具有较低的环境毒性风险（IC50值>200 μM[36,37]）。抑制性能通过重量损失、电化学阻抗谱（EIS）和电位动力学极化（PDP）技术在1 M HCl中进行了评估。低碳钢的表面形貌通过扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散X射线光谱（EDX）和原子力显微镜（AFM）进行了观察。概念密度泛函理论（CDFT）和蒙特卡洛（MC）模拟用于阐明电子结构、能量特性、反应性描述符和金属-抑制剂相互作用[38,39]。这种综合方法旨在通过合理的分子设计实现低浓度下的高抑制效率。
抑制剂合成
抑制剂的合成
氨基吡唑邻苯二甲酰嗪衍生物（APPZs）通过环缩合反应合成。反应在乙醇中进行，使用乙胺（Et3N）作为催化剂，并在超声照射下进行（方案1[40]）。反应进程通过薄层色谱（TLC）监测，完成后对粗产物进行乙醇重结晶纯化。分子结构、IUPAC名称、熔点、产率和光谱数据见表S1。
重量损失测量
不同APPZ浓度下的腐蚀速率（Cr）和抑制效率（η%）的计算值总结在表1中，并在图1(a–c)中显示。观察到随着APPZ浓度增加到0.63 mmol L?1，Cr降低而η%增加。在0.63 mmol L?1浓度下，最大抑制效率分别为APPZ I的91.4%、APPZ II的88.1%和APPZ III的86.4%。进一步增加浓度并未显著提高抑制效率。
结论
本研究表明，氨基吡唑邻苯二甲酰嗪（APPZ）衍生物在1 M HCl溶液中是高效的低碳钢腐蚀抑制剂。重量分析和电化学结果证实了吸附控制的抑制过程，其特征是活化能的增加。电位动力学极化表明抑制作用为混合型，同时抑制了阳极Fe溶解和阴极H?释放。结果符合朗缪尔等温线，计算得到的标准自由吸附能（ΔG°ads）介于?27至?40 kJ mol?1之间。
CRediT作者贡献声明
苏迪尔（Sudheer）：撰写初稿、方法论设计、实验研究、概念构思。
M.A. 库拉希（M.A. Quraishi）：撰写、审稿与编辑、监督。
拉姆齐·贾尔加姆（Ramzi Jalgham）：撰写、审稿与编辑、软件操作。
萨瓦什·卡亚（Sava? Kaya）：撰写、审稿与编辑、软件操作、数据分析。
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的研究结果。
致谢
作者感谢印度北方邦政府高等教育部门提供的研究与发展计划（编号：79/2024/104）的财政支持。
