合成并通过量子化学研究含有嘧啶结构的多功能取代吡啶用于防腐蚀

为何阻止生锈至关重要

从桥梁和输油管道到汽车与家用电器，金属在现代生活中无处不在。但金属会在一种我们称为腐蚀的过程中慢慢自我消耗，这一过程常被酸和咸水加速。找到能温和附着在金属上并减缓这种劣化的涂层，有助于节省资金、能源和资源，并减少浪费。本研究探讨了一类新的小型碳基分子，设计为“驻留”在金属表面并充当微小保护盾，结合实验合成与计算建模来理解其工作原理和效果。

设计新的保护分子

研究人员以已知的化学构件为起点，用它构造出一系列具有共同含氮环状核心的相关分子。这些环系称为吡啶和嘧啶，已广泛出现在药物和农用化合物中，并引起了作为温和、环保型防腐剂的兴趣。通过将起始物与不同的小分子反应，团队合成出一系列更复杂的环状结构，包括稠环和含硫环。用红外、核磁共振和质谱等常规分析手段对每种新化合物的精确结构与组成进行了确认。

计算机如何“看见”分子

合成新分子只是故事的一半；另一半是理解它在金属表面附近如何表现。为此团队使用了量子化学计算，这是一种利用量子力学规则预测分子中电子排布的技术。他们关注诸如最外层占据电子的能量、已填与空轨能级间的能隙以及电子云的“软硬度”等特征。易于提供电子且在氮、氧、硫原子上具有特定电荷分布的分子，预计能更强烈地吸附到金属上并阻挡酸性介质中腐蚀性物种的靠近。

发现最活跃的位点

计算显示，这些分子中最重要的区域是富含氮的环单元和连接的氨基。在计算模型中，最高电子密度常位于嘧啶部分以及可将孤对电子与金属分享的氮原子上。这表明在腐蚀性溶液中，这些分子部位会被吸引到金属表面，形成化学或静电键合。研究还考察了用给电子基团取代氢如何改变分子的软度和电荷分布，通常会提升分子作为防腐屏障的能力。

最出色的保护者

通过比较所有合成分子的计算性质，研究人员能够对其作为抑制剂的潜在性能进行排名。其中一类化合物——研究中标为22b的异喹啉衍生物——尤为突出。它的关键电子能级之间能隙很小，软度值高，并且具有多个潜在的结合点，包括若干氨基、两个氧原子和一个硫原子。这些特性共同赋予它较强的给电子倾向和在结构上分散电荷的能力，使其在酸性条件下特别有能力附着到金属表面并覆盖形成保护薄膜。

对现实金属的意义

对非专业读者而言，结论是：分子结构的微小变化可以强烈影响化合物保护金属的能力。将合成化学与量子计算相结合，这项工作展示了科学家如何在进入全面腐蚀测试前在计算机上对一族分子进行预筛选。结果表明，这些新设计的含氮和含硫环系，尤其是异喹啉候选物22b，是在恶劣工业环境中研发下一代金属节约添加剂的有前景的构件。

引用: 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

关键词: 腐蚀抑制, 吡啶化合物, 嘧啶衍生物, DFT 计算, 金属防护