量子化學方法在緩蝕劑性能評價和機理研究中的應用

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(四川理工學院,自貢 643000)

量子化學方法在緩蝕劑性能評價和機理研究中的應用

張齡丹,龔敏,鄭興文,劉川,楊俊

(四川理工學院,自貢 643000)

近年來，量子化學方法在緩蝕劑分子結構和緩蝕機理研究中得到了廣泛應用。簡要介紹了密度泛函理論、從頭算法和半經驗算法這三種基本量子化學計算方法，概述了量子化學方法在有機緩蝕劑研究中的應用現狀，并對其在該領域的發展前景進行了展望。

量子化學方法；緩蝕劑；量化參數；緩蝕機理

材料的腐蝕與防護是現代科學技術研究的重要領域之一。添加緩蝕劑是抑制材料腐蝕最簡單、高效、經濟的防護手段。因此，緩蝕劑的研究是科研工作者極為關注的重要課題。目前，緩蝕劑的研究方向主要有兩方面[1]：一是開發新型高效緩蝕劑；二是研究緩蝕作用的本質以指導設計、合成新型緩蝕劑。緩蝕機理的傳統研究方法主要包括失重法、電化學測試、表面分析技術等。引入量子化學方法研究緩蝕機理，可以使人們對緩蝕機理的認識達到電子水平和微觀層面。1971年，VOSTA等[2]首次用量子化學方法研究了緩蝕劑的緩蝕機理，開創了量子腐蝕電化學。此后，眾多學者采用量子化學方法研究緩蝕劑及其作用機理，并取得了豐碩的成果。本工作就量子化學方法及其在緩蝕劑性能評價和機理研究中的應用現狀進行概述。

1 量子化學計算方法和特點

量子化學是以量子力學為基礎，利用量子力學的基本原理和方法來研究化學問題的一門學科[3]。量子化學的基本理論形成于20世紀30年代，隨著計算機水平的飛速發展，量子化學計算方法也高速發展。涌現出諸如密度泛函方法，從頭算方法，半經驗方法等理論算法，數量眾多、形式不一，并出現大量量子化學計算軟件，如GAUSSIAN等[4-5]。它們被廣泛運用于研究分子結構[6]、材料性能[7]、化學過程[8]等領域，其方法和結果都顯示出了與其他研究手段相比無可比擬的優越性。

1.1 密度泛函理論

密度泛函理論(DFT)[9]是20世紀60年代在Thomas-Fermi近似理論的基礎上發展起來的一種量子力學表達方式。該理論指出，電子密度決定分子的一切性質，體系的能量是電子密度的泛函，并指出只要知道體系基態的電子密度，那么體系的一切性質就可以通過量子力學計算得到[10]。

相比于其他量化算法，密度泛函理論最突出的優勢是計算速率快、計算精度高，可用于大分子體系的量化計算，對于含過渡金屬體系的計算則更具優勢[11-13]。

密度泛函理論種類較多，各種理論的差異在于選擇了不同的交換相關能量泛函近似形式[14]。常見的密度泛函理論算法有以BDW，BLYP為代表的純密度泛函和以B3LYP，BHANDHLYP為代表的雜密度泛函，而其中最常用于緩蝕劑研究的是B3LYP[15]。

隨著密度泛函理論體系的日益完善和計算精度的逐步提高，密度泛函理論越來越受到人們的重視，以至在理論化學研究中掀起了一個高潮，被成功應用于分子的結構和性質、反應機理、過渡態結構和活化勢壘等[16]許多問題的研究中，是目前最常用的理論方法之一。

1.2 從頭算法

從頭算法[17]是指基于Born-Oppenheimer、獨立電(Hartree)和非相對論三大近似，僅使用一些最基本的物理常數(如電子質量、普朗克常數等)作為已知參數，而不借助任何經驗性質的化學參數來求解薛定諤方程的一種量子化學計算方法。由于從頭算法[18-19]理論上的嚴密性及其計算結果的精確、可靠性，可以應用在大、小分子體系，動、靜態系統，分子內或分子間的相互作用等各個方面。但是，由于計算精度和計算速率之間是矛盾的[20]，從頭算法通常更適合于小分子體系的高精度計算，中等大分子體系的定量計算，以及大分子體系的定性計算三個方面。目前，在從頭算法的若干軟件中，最常用的計算軟件是高斯Gaussian 03軟件[21]。

1.3 半經驗算法

從頭算法雖然有嚴謹的理論支持，能得到較為精確的計算結果，但是當遇到諸如酶、聚合物、蛋白質等大分子體系時，需要占用大量的計算資源，計算時間長，計算代價過大，為此科學家們提出了半經驗算法。

半經驗算法[22-23]是一種以從頭算法為基礎，忽略一些計算量極大，但對結果影響很小的積分，并借用一些來自試驗的參數代替分子積分，從而近似求解薛定諤方程的量子化學計算方法。

半經驗算法的優勢在于減小了計算工作量，并且使計算更復雜分子的電子結構成為了可能[24]。半經驗算法是對嚴格計算方法的一種補充，可以進行定性或半定量計算，與嚴格的計算方法組合使用，可以大量節省計算時間，并且對精度的影響較小。

根據采取近似方法的不同及選取經驗參數的不同，主要的計算方法有AM1，PM3，MNDO，CNDO，ZDO等[25-26]。目前，應用最廣泛的兩種半經驗計算方法是AM1和PM3。

2 國內外緩蝕劑的量子化學研究進展

2.1 量子化學參數和前線軌道理論

隨著量子化學計算方法的不斷發展和量子化學理論的逐步完善，量子化學方法越來越多地被應用到緩蝕劑研究領域。人們利用量子化學計算方法，得到表征緩蝕劑分子內部特征的量化參數，再結合相關的量子化學理論和其他傳統方法測緩蝕劑的緩蝕性能，進而研究緩蝕劑分子的量子化學參數與其緩蝕性能的關系。

緩蝕劑研究常用的量子化學參數[27-28]有EHOMO(最高被占軌道能量)、ELUMO(最低空軌道能量)、電荷分布、偶極距、自由價和離域能等。這些參數對了解分子的化學反應特性有很大幫助，研究者可由量化參數與緩蝕性能的關系分析緩蝕劑的結構和官能團對其緩蝕作用的影響，進而探討可能的作用機理。

而量化理論中的前線分子軌道理論對研究有機類緩蝕劑有重要的理論指導作用。前線分子軌道理論[27-29]認為，反應物間的相互作用僅發生在分子的最高占有軌道(HOMO)和最低空軌道(LUMO)之間，兩者的能量與分子的化學反應特性直接相關：EHOMO是分子給電子能力的量度，EHOMO越小，該軌道中的電子越穩定，分子給電子的能力越小；反之，EHOMO越大，分子給電子的能力越大。ELUMO與分子接受電子的能力相關，ELUMO越小，則電子進入軌道后體系能量降低得越多，分子接受電子的能力越強。

近幾十年來，科研工作者們以量子化學理論和計算方法為基礎，研究了大量有機緩蝕劑，包括有機胺及其衍生物、雜環類化合物、羧酸及其衍生物等。

2.2 雜環類緩蝕劑

研究發現，有機雜環類化合物可以對許多金屬的腐蝕產生抑制作用。由于這類化合物含有N、O、S等雜原子，因而無論從電子密度，還是從鍵的性質，都反映出它們在金屬界面上具有強烈的吸附作用，并且與金屬界面作用后能生成一層致密的難溶保護膜，進而阻滯金屬的腐蝕。

陳懷兵等[30]采用失重法、電化學方法及掃描電鏡(SEM)等方法評價了3種咪唑啉緩蝕劑在飽和CO2的6% NaCl水溶液中對N80碳鋼的緩蝕性能，并探討了其在N80碳鋼表面的吸附行為。同時運用Gaussian 03W程序、密度泛函理論(DFT)的B3LYP/6-31G*方法對這3類咪唑啉緩蝕劑進行結構優化，得到它們的穩定構型和量化參數。量子化學計算表明，3種咪唑啉分子都具有較強的反應活性，活性區域集中在咪唑環和親水支鏈上，第三種分子的反應活性最強，而量化理論計算與試驗結果相一致。

劉琳等[31]研究了5-巰基-1-甲基四唑(MMT)和1-(2-二甲基氨基乙基)-1H-5巰基四氮唑(MTZ)在酸性介質中對銅的緩蝕性能，并發現這兩種緩蝕劑的緩蝕效率的理論評價結果與試驗結果相一致，是銅在酸性介質中的高效緩蝕劑。試驗首先運用量化方法進行計算，結果表明,兩種緩蝕劑均以平行于銅表面的方式吸附在金屬表面，并且MTZ比MMT具有更強的反應活性和更穩定的吸附性能。同時電化學試驗結果驗證了理論計算的正確性，即緩蝕劑的加入可以有效降低銅電極的腐蝕電流密度，提高銅的耐蝕性，且2種緩蝕劑的緩蝕效率為MTZ>MMT。

寧世光等[32]報道了咪唑啉衍生物在酸性介質中對鋼的緩蝕作用與電子密度和前線軌道能量具有良好的相關性。試驗采用CNDO/2方法計算了該化合物分子中原子的電荷密度等量化參數，并將緩蝕劑的緩蝕率與其EHOMO和ELUMO進行了二元線性回歸分析，結果表明,緩蝕劑的緩蝕性能隨EHOMO上升及ELUMO下降而增強。這表明所研究的緩蝕劑分子能吸附在金屬表面形成反饋鍵從而對金屬起到保護作用。從理論計算角度分析了咪唑啉衍生物在酸性介質中對碳鋼的緩蝕作用機理，深化了研究者們對其緩蝕機理的認識和理解。

BEKFILALI[33]等發現4,6-二氨基-2-吡啶硫醇(4D2P)在0.1 mol/L HCl中對碳鋼有良好的腐蝕抑制作用。采用了電化學測試方法測試分子的緩蝕性能、采用掃描電子顯微鏡分析形貌、采用量子化學的密度泛函理論(DFT)計算量化參數，從多個方面對該類緩蝕劑的緩蝕機理和緩蝕作用進行了分析。結果表明，量化計算理論分析結果和試驗測試結果一致，4D2P是碳鋼在鹽酸介質中的高效緩蝕劑。

ZARROUK等[34]從理論計算和試驗測試兩方面研究了兩種含有吡咯環的新型二酮衍生物在1 mol/L HCl溶液對碳鋼的緩蝕作用。采用了失重法，極化曲線和電化學阻抗譜(EIS)方法測試了兩種緩蝕劑的緩蝕性能，并運用了XPS分析這兩類緩蝕劑在碳鋼表面的化學吸附過程，同時還使用了密度泛函理論(DFT)方法優化緩蝕劑分子結構、計算其量子化學參數，而試驗測試所得的相關數據和理論計算的分析結果有較好的相關性。

2.3 有機胺及其衍生物

有機胺類化合物屬于吸附型緩蝕劑[27],該類化合物分子中N原子有孤對電子，可以向過渡金屬如鐵的3d軌道提供電子，因此N原子就構成了吸附活性中心。

曾憲光等[35]研究了三聚氰胺在1 mol/L HCl介質中對碳鋼的緩蝕作用和緩蝕機理。試驗采用極化曲線和電化學阻抗譜，獲得電化學參數和緩蝕效率，再結合量子化學計算結果，分析其緩蝕機理。結果表明，針對碳鋼在1 mol/L HCl溶液中的腐蝕，三聚氰胺是一種混合型緩蝕劑，隨其含量的增加，緩蝕效率增大。該類物質通過分子中電荷較負的N原子吸附在碳鋼表面形成保護膜，吸附過程是自發過程，且符合Langmuir吸附等溫方程。

李林峰[36]合成了包括4-氯苯胺-吡啶-4-甲醛席夫堿(CPA)在內的4種苯胺類席夫堿化合物，并通過腐蝕產物分析法、電化學阻抗譜法等方法，研究了4種化合物在鹽酸介質中對碳鋼的腐蝕抑制作用，探討了緩蝕劑在碳鋼表面的緩蝕機理。結果表明：在鹽酸介質中，4種席夫堿化合物均對碳鋼表現出較好的緩蝕性能，緩蝕機理為緩蝕劑分子吸附在碳鋼表面，形成一層致密的保護膜，從而抑制了碳鋼的電化學反應過程。并運用量化計算探究了緩蝕劑分子在碳鋼表面的吸附行為，結果表明，4種緩蝕劑分子是以平面方式吸附在碳鋼表面，而理論計算結果與腐蝕產物分析法、電化學阻抗以及極化曲線法所得結果相一致。

BELFILALI等[37]對新合成的苯甲酰胺衍生物在1 mol/L HCl溶液中對碳鋼的緩蝕作用進行了研究。通過測試極化曲線、電化學阻抗譜和失重法獲得了該類化合物的緩蝕性能相關參數。結果可知，新合成的苯甲酰胺衍生物是一種混合型緩蝕劑，且其緩蝕作用隨著其含量的增加而顯著增強，當其濃度為0.00 1 mol/L時，緩蝕率最高，約99%。試驗還利用了密度泛函理論(DFT)的B3LYP/6-31G*方法計算分子的量化參數，證實了分子中的氮原子是吸附活性中心，使人們更好地認識了該類緩蝕劑的緩蝕作用機理。

ZARROUK等[38]報道了N-1-萘乙二胺二鹽酸鹽(N-NEDHME)在2 mol/L HNO3溶液中對銅的腐蝕抑制作用。研究者利用失重法和電化學方法測試了N-NEDHME的緩蝕性能，結果表明，該有機化合物的緩蝕率隨著其濃度的增加而提高，當其濃度為0.001 mol/L時，其緩蝕率達到了95.26%，是一種陰極型緩蝕劑。通過密度泛函理論(DFT)的B3LYP/6-31G*方法計算該化合物分子的某些電子特性，發現緩蝕劑的緩蝕效果和緩蝕劑分子結構之間有很好的相關性。

2.4 其他類型緩蝕劑

趙維等[39]通過PM3半經驗量子化學計算方法，從微觀角度研究了4種有機磷緩蝕劑的緩蝕性能和分子結構的關系。結果表明，P原子的凈電荷、電荷密度與緩蝕性能有良好的相關性，該類化合物既能通過π電子供出電子與Fe吸附，又能通過P原子接受Fe原子3d軌道中的電子，其強弱主要由P原子的電荷密度高低決定；在雙向作用下，緩蝕劑與Fe的吸附作用增強，緩蝕性能提高。

ZHENG等[40]報道了1-辛基-3-甲基咪唑L-脯氨酸([Omim]Lpro)在0.5 mol/L H2SO4溶液中對低碳鋼的緩蝕作用和緩蝕機理。試驗結果表明:[Omim]Lpro是一種溫和型緩蝕劑，在0.5 mol/L H2SO4溶液中對碳鋼主要作用是抑制陰極反應速率，其在10 mol/L H2SO4溶液中的緩蝕率可達80%，而分子中的Omim離子起主要作用緩蝕作用。此外，運用理論計算進一步了解緩蝕劑的緩蝕作用機理，發現Omim離子比Lpro陽離子具有更強的腐蝕抑制作用，這與失重法測得的試驗結果一致。

TORRES等[41]發現1,3-二芐基硫脲(DBTU)和1-芐基-3-二異丙基硫脲(DPTU)，兩種硫脲衍生物在1 mol/L HCl溶液中對低碳鋼具有較好的腐蝕抑制作用。計算了這兩類化合物分子的量化參數，從理論上分析化合物分子的電子結構和緩蝕性能之間的相關性。同時利用包括失重法在內的多種方法較為全面地測試了緩蝕劑實際的緩蝕功能。綜合考量理論計算和試驗結果，發現兩者之間有良好的相關性，試驗所研究的2類硫脲衍生物在1 mol/L HCl溶液中對低碳鋼均有良好的腐蝕抑制作用，而分子中的S原子起主要的作用。

3 結束語

綜上所述，在眾多國內外學者的共同努力下，運用量子化學計算方法，結合現代物質結構理論和先進的分析測試技術，在緩蝕劑的量化參數和緩蝕性能的相關規律性方面的研究已取得了較為豐富的研究成果[42-49]。然而，這只是量子化學方法研究緩蝕劑的基礎階段。展望未來，緩蝕劑的界面行為、緩蝕劑的協同作用和緩蝕劑的定量構效關系等方面可采用量子化學方法進行深入研究。

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ApplicationofQuantumChemistryMethodinthePerformanceEvaluationandMechanismStudyofCorrosionInhibitors

ZHANG Lingdan, GONG Min, ZHENG Xingwen, LIU Chuan, YANG Jun

(Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

In recent years, quantum chemistry is widely used in the studies of molecular structure and inhibition mechanism of inhibitors. Three basic quantum chemical calculation methods are introduced in this paper, including density functional theory, ab initio and semi-empirical methods. The application status of quantum chemistry methods in the study of organic corrosion inhibitor is summarized, and its development prospects in this field are discussed.

quantum chemical method; inhibitor; quantization parameter; inhibition mechanism

10.11973/fsyfh-201711002

2016-04-26

四川理工研究生創新基金(y2015006); 四川省科技廳應用基礎研究項目(2014JY0007)

龔 敏(1963-),教授,碩士,主要從事材料腐蝕防護研究,13309006698,gongmin@suse.edu.cn

TG174

A

1005-748X(2017)11-0829-05