分子层面上对非聚合物型的大体积的有机缓蚀分子缓蚀性能的调控：由实验到理论再到实验

To prevent metal corrosion is the important strategy for nation and people. As organic corrosion inhibitor is friendly to environment, it becomes the key research point to prevent metal corrosion. This project bases on the scientific research strategy "from experiment to theory and then back to experiment". Three sorts of novel non-polymer N hetero-cycle large size corrosion inhibitors are structured. The inhibiting effect is realized through synergistic roles of polar group and non-polar group in the target molecules to achieve corrosion inhibition. This project utilizes in situ electrochemical method and other experimental methods to study the inhibiting mechanism and efficiency. It will reveal the dependence relationship between the chemical structures and the inhibiting efficiency of large size corrosion inhibitor molecules. Through chemical strategy to fine-tune polar and non-polar groups of large size inhibitors, the corrosion inhibiting efficiency is controlled at molecular level. The interaction mechanism among the large size inhibitors, metal surface and corrosion medium will be further revealed by theoretical calculations. Combined with in situ electrochemical experiment results, the inhibiting mechanism will be revealed at micro level of the surface adsoprion, and the key chemical factors controlling inhibiting efficiency will be found. Hence, the study will provides the experimental and theoretical basis to develop novel high efficient organic corrosion inhibitors. The research contents in this project have not been reported.

防治金属腐蚀是关乎国计民生的重大战略。有机缓蚀剂因对环境友好且能有效地防治金属腐蚀而成为这一领域的研究重点。本项目利用从实验到理论再到实验的科学理念，构建三类新型的非聚合物型的大体积的含Ｎ杂环有机分子。利用目标分子中的极性基团与非极性基团的协同作用实现缓蚀效果；利用原位电化学方法和其它实验方法深入系统地研究其缓蚀机制和缓蚀效率，明确大体积的缓蚀分子的化学结构与缓蚀性能之间的构效关系；通过化学策略，对大体积的缓蚀分子的极性和非极性基团进行有效调控，实现在分子层面上调控缓蚀效率；利用理论计算，进一步模拟这些有机缓蚀剂、金属表面与腐蚀介质之间的相互作用机理，并结合原位电化学实验结果，从表面吸附的微观层次分析这些缓蚀剂的作用机理，揭示控制缓蚀效率的关键的化学因素，从而为发展新型的高效的有机缓蚀剂提供理论和实验依据。本项目所涉及的研究内容如大体积的有机缓蚀剂、缓蚀性质、理论计算等研究均未见文献报道。

腐蚀是金属材料设备安全运行最主要的破坏因素，特别是在化工生产、油气开采、交通运输、市政工程和海洋作业等严酷环境中，由金属腐蚀造成的经济与安全事故屡见不鲜，因此防护金属腐蚀是关乎国计民生的大事。有机缓蚀剂作为一种有效的防腐蚀方法，可以在不改变材料性质和状态的前提下延长材料设备的使用寿命，从而得到广泛的应用。鉴于人类面临环境保护和可持续发展的要求，研究高效绿色新型有机缓蚀剂是我们面临的一大挑战。本项目以环境友好的非聚合物型较大分子体积有机化合物和天然产物作为缓蚀剂，对绿色有机缓蚀剂分子的设计、合成和防腐蚀性能与缓蚀机理进行了深入系统和卓有成效的研究，取得了一系列重要有关腐蚀科学理论和工程应用价值的研究成果。..利用有效的分子预构建，以氮、氧杂环为目标分子核心骨架，设计了一系列含疏水或亲水基团的非聚合物型较大体积的绿色高效有机缓蚀分子，依据对目标分子与金属相互作用的材料物理与材料量子化学的计算，建立了有机分子缓蚀性能评价的理论基础，并实现对这类有机缓蚀剂缓蚀性能的理论预测与准确实验研究方法。..项目研究发现，对于极小体积的有机缓蚀剂来说，由于其分子尺寸过小，在金属表面吸附后，无论是通过屏蔽效应还是动力学阻滞效应都难以达到理想缓蚀效果。而聚合物型缓蚀剂又由于其光、热化学稳定性、溶解性等方面的挑战，难以实现在分子层面上对有机缓蚀分子的缓蚀性能的有效调控。非聚合物型较大分子体积有机缓蚀剂可以通过对亲水/疏水性的有效调节，使目标分子的亲水或疏水性达到平衡，从而能在分子层面上高效调控其缓蚀性能。因此，项目通过有效的化学预构建，设计合成了一系列含疏水或亲水基团的非聚合物型较大分子体积的新型有机缓蚀分子，通过材料量子化学密度泛函理论结合从头算方法优化几何构型、富集电子云密度、匹配前线分子轨道，对所设计的有机缓蚀剂分子进行定向构建、修饰和缓蚀效率预测，实现在分子层面上指导绿色高效防腐有机新材料的设计。