Синтез и квантово-химические исследования поли-функционально заместённых пиридинов с вкраплением пиримидинового фрагмента для ингибирования коррозии

Почему важно останавливать ржавчину

От мостов и нефтепроводов до автомобилей и бытовой техники — металл повсюду в современной жизни. Но металл постепенно разрушается в процессе, который мы называем коррозией, часто ускоряемом кислотами и солёной водой. Поиск покрытий, которые мягко прилипают к металлу и замедляют этот распад, помогает экономить средства, энергию и ресурсы и сокращать отходы. В этом исследовании рассматривается новая семья небольших углеродистых молекул, разработанных для того, чтобы «сидеть» на металлических поверхностях и служить крошечными щитами от коррозии; учёные используют как лабораторную химию, так и компьютерное моделирование, чтобы понять, как и почему они работают.

Проектирование новых защитных молекул

Исследователи взяли известный химический строительный блок и использовали его для создания серии родственных молекул, все из которых имеют кольцевое ядро, содержащее атомы азота. Эти циклы, называемые пиридинами и пиримидинами, уже широко используются в медицине и сельском хозяйстве и привлекают внимание как мягкие, экологичные борцы с коррозией. Реагируя исходный материал с различными небольшими реакционными партнёрами, команда получила сеть новых, более сложных кольцевых структур, включая конденсированные кольца и содержащие серу циклы. Тщательный анализ стандартными методами, такими как ИК-спектроскопия, ядерный магнитный резонанс и масс-спектрометрия, подтвердил точную форму и состав каждого нового соединения.

Как компьютеры видят молекулы

Синтез новой молекулы — только половина истории; вторая — понять, как она ведёт себя возле металлической поверхности. Здесь команда обратилась к квантово-химическим расчётам — технике, использующей законы квантовой физики для предсказания распределения электронов в молекуле. Они сосредоточились на таких характеристиках, как энергия наиболее внешних занятых электронов, энергетический разрыв между заполненными и незаполненными состояниями и «мягкость» или «жёсткость» электронного облака. Ожидается, что молекулы, которые легко отдают электроны и имеют характерное распределение заряда на атомах азота, кислорода и серы, будут сильнее притягиваться к металлу и блокировать доступ коррозионных агентов в кислоте.

Поиск наиболее активных участков

Расчёты показали, что наиболее важными областями этих молекул являются азотсодержащие кольцевые фрагменты и присоединённые амино-группы. В компьютерных моделях наивысшая плотность электронов часто локализовалась на фрагменте пиримидина и на атомах азота, которые могут делиться своими неподелёнными парами с металлом. Это указывает на то, что в коррозионном растворе эти участки молекулы будут притягиваться к металлу, образуя химические или электростатические связи. В исследовании также рассматривалось, как замена атомов водорода на электронодонорные группы меняет мягкость и распределение заряда, в целом усиливая способность молекулы служить коррозионным барьером.

Выдающийся защитник

Сравнивая рассчитанные свойства всех синтезированных соединений, исследователи смогли ранжировать их ожидаемую эффективность как ингибиторов. Одно конкретное соединение, производное изохинолина, обозначенное в работе как 22b, выделялось. У него очень малый энергетический разрыв между ключевыми электронными уровнями, высокая величина мягкости и множество потенциальных точек связывания, включая несколько амино-групп, два атома кислорода и один атом серы. Вместе эти признаки придают ему высокую склонность к отдаче электронов и распределению заряда по структуре, что делает его особенно способным прикрепляться к металлическим поверхностям и покрывать их защитной плёнкой в кислотных условиях.

Что это значит для реальных металлов

Для неспециалистов основной вывод таков: небольшие изменения в молекулярной структуре могут существенно влиять на то, насколько хорошо соединение защищает металл. Сочетая синтетическую химию с квантовыми расчётами, эта работа демонстрирует, как учёные могут предварительно отобрать семейства молекул с помощью компьютера до перехода к полноценным испытаниям коррозии. Результаты указывают на то, что новоразработанные кольца, содержащие азот и серу, особенно кандидат изохинолин 22b, являются перспективными строительными блоками для следующего поколения добавок, сохраняющих металл в тяжёлых промышленных условиях.

Цитирование: Hussein, A.H.M., Ashmawy, A.M., Rady, M.A. et al. Synthesis and quantum chemical studies of polyfunctionally substituted pyridines incorporating pyrimidine moiety for corrosion Inhibition. Sci Rep 16, 14637 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39989-0

Ключевые слова: ингибирование коррозии, производные пиридина, производные пиримидина, DFT-вычисления, защита металла