喹唑啉-4（3H）-酮类缓蚀剂的防腐研究

陈伟强

摘要：喹唑啉-4（3H）-酮类作为重要的N-杂环化合物，具有毒性低、易合成、大的共轭体系等优点，具备成为“绿色高效缓蚀剂”的优势。

关键词：喹唑啉-4（3H）-酮类化合物；缓蚀剂；碳钢。

1.钢材防腐的背景

钢材作为工业界重要的功能材料之一，因其成本低廉和具备优良的机械[1]，而在建筑、运输、化学加工以及海洋应用等领域有着广泛的应用[2]。 然而在油井的酸化、使用酸洗除垢、海水的脱盐等相关化学工业过程中，碳钢会与侵蚀性的介质发生接触而产生严重腐蚀，对工业设备（冷却塔、锅炉、管道等）安全存在潜在的危险，甚至危及到人员的生命安全。 同时，钢铁腐蚀也是重大社会经济损失的主要问题之一，会造成巨大的金属资源浪费。因此，钢材腐蚀已经成为工业领域一个焦点问题，做好钢材的腐蚀防护工作，关系到保护环境、节省资源以及实施可持续发展战略等社会和经济问题。近年来，如何降低或者控制钢材腐蚀备受关注。人们先后也找到了许多钢材防腐的途径[3]，但在实践中，使用无机或者有机化学缓蚀剂被认为是目前最为经济而且有效的方法。

2.喹唑啉-4（3H）-酮类化合物作为缓蚀剂的研究目的和意义

在各种防腐手段中添加缓蚀剂具有操作方便、 用量少、 投资低、 收效快、 实用性强等优点，因而在石油、 建筑、 化工等金属腐蚀防护领域中广泛应用。 经过人们对化学缓蚀剂的不断发展研究探索，已经有许多无机和有机化合物作为化学缓蚀剂被报道[4]，它们在不同腐蚀性环境中对金属的防护特性也各有不同。由于传统的无机缓蚀剂常含有重金属元素[5]，对环境有危害性，研究者们开始将探索重心转移到了有机缓蚀剂。特别是近年来，含 N-杂环化合物因其独特的共轭结构表现出了优越的缓蚀性能，成为化学缓蚀剂研究的热点。目前，对于咪唑类、吡啶类、嘧啶类、吖啶类、喹啉类缓蚀剂的研究报道的较多，但现有的 N-杂环有机缓蚀剂存在着诸如用量多、效率低、 本钱高、水溶性差、对人体和环境有毒等缺陷，严重阻碍了缓蚀剂的研发和应用。 基于环境保护和可持续发展战略需求， 制备高效、廉价、环保的缓蚀剂成为当务之急。喹唑啉-4（3H）-酮类化合物作为一类重要的 N-杂环有机物， 因其独特的共轭结构而具有广泛的生物活性，近年来在杀菌剂、 药物等领域有广泛的应用。

3.喹唑啉-4（3H）-酮类缓蚀剂的防腐研究

3.1合成路线

在室温下将N-（2-（4,5-二氢恶唑-2-基）苯基）苯甲酰胺（1.0当量，0.3 mmol）、AlCl3（2.0当量，0.6 mmol）、H2O（5.0当量，1.5 mmol）和PIFA（1.0当量，0.3 mmol）溶解在2.0 mL二氯甲烷中，混合物室温下搅拌3 h。然后用饱和NaHCO3（5 mL）淬灭反应，混合物用二氯甲烷（10 mL×3）萃取。减压除去溶剂后经柱层析纯化得到3-（2-氯乙基）-2-苯基喹唑啉-4（3H）-酮。然后将3-（2-氯乙基）-2-苯基喹唑啉-4（3H）-酮（0.3 mmol）、1-苯基哌嗪（0.6 mmol）和Na2CO3（0.6 mmol）溶解在1.5 mL乙腈中，加热回流10 h。将反应混合物减压除去溶剂，并且用二氯甲烷（5 mL × 2）萃取。用盐水洗涤，有机相在无水Na2SO4中干燥，并浓缩得到粗产品。粗品经硅胶柱层析纯化，得到喹唑啉-4（3H）-酮衍生物。所得化合物经核磁共振谱图（1H-NMR 和13C-NMR）确认，结构无误。1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ (ppm): 8.36 (d, J = 7.6 Hz, 1H), 7.77 (s, 2H), 7.60–7.53 (m, 6H), 7.26 (t, J = 7.8 Hz, 2H), 6.90–6.84 (m, 3H), 4.24 (t, J = 6.8 Hz, 2H), 3.07 (t, J = 4.6 Hz, 4H), 2.63 (t, J = 6.8 Hz, 2H), 2.43 (t, J = 4.6 Hz, 4H); 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ (ppm):162.1, 156.0, 151.0, 147.1, 135.4, 134.3, 129.8, 128.9, 128.7, 128.0, 1227.4, 126.9, 126.6, 120.7, 119.5, 115.8, 56.0, 53.0, 48.9, 42.8.

3.2防腐测试

（1）用1 mol /L的稀盐酸分别配制浓度为0.1 mM、0.2 mM、0.3 mM、0.4 mM的清洗溶液。在30℃下对碳钢进行清洗，浸没3 h即可，而后进行碳钢片失重实验。根据公式：计算缓蚀效率，其中为不加缓蚀剂的腐蚀率，为加缓蚀剂的腐蚀率。

缓蚀剂浓度（mM）	缓蚀效率（%）
0.1	86.7
0.2	91.1
0.3	93.9
0.4	95.5

（2）用1 mol /L的稀盐酸分别配制浓度为0.1 mM、0.2 mM、0.3 mM、0.4 mM的清洗溶液。在40℃下对碳钢进行清洗，浸没3 h即可，而后进行碳钢片失重实验。根据公式：计算缓蚀效率，其中为不加缓蚀剂的腐蚀率，为加缓蚀剂的腐蚀率。

缓蚀剂浓度（mM）	缓蚀效率（%）
0.1	83.8
0.2	88.9
0.3	91.5
0.4	93.1

（3）用1 mol /L的稀盐酸分别配制浓度为0.1 mM、0.2 mM、0.3 mM、0.4 mM的清洗溶液。在50℃下对碳钢进行清洗，浸没3 h即可，而后进行碳钢片失重实验。根据公式：计算缓蚀效率，其中为不加缓蚀剂的腐蚀率，为加缓蚀剂的腐蚀率。

缓蚀剂浓度（mM）	缓蚀效率（%）
0.1	80.2
0.2	86.8
0.3	90.2
0.4	91.2

4.结论

通过将合成得到哌嗪取代的喹唑啉-4（3H）-酮衍生物用于不同温度（30℃，40℃，50℃）下1 M HCl中碳钢防腐性能的缓蚀研究发现，随着测试温度的升高，缓蚀能力有所下降，但是总体上在不同温度下对碳钢均具有优良的缓蚀性能。同时，本文的研究也为更多新颖喹唑啉-4（3H）-酮衍生物作为缓蚀剂用于钢材防腐提供了有力的理论依据。

参考文献：

[1]Migahed M A, Attya M M, Rashwan S M, et al. Synthesis of Some Novel Non Ionic Surfactants Based on Tolyltriazole and Evaluation their Performance as Corrosion Inhibitors for Carbon Steel[J]. Egyptian Journal of Petroleum, 2013, 22(1): 149-160.

[2]El-Etre A Y. Inhibition of C-steel Corrosion in Acidic Solution using the Aqueous Extract of Zallouh Root[J]. Materials Chemistry and Physics, 2008, 108(2-3): 278-282.

[3]Xia D H, Pan C C, Qin Z B, et al. Covalent Surface Modification of LY12 Aluminum Alloy Surface by Selfassembly Dodecyl Phosphate Film towards Corrosion Protection[J]. Progress in Organic Coatings, 2020, 143: 105638.

[4]赵耀, 邓豪, 程新, 等. 有机/无机缓蚀剂在模拟混凝土孔隙液中对钢筋缓蚀作用对比研究[J]. 装备环境工程，2021，18（01）：119-128.

[5]Raja P B, Sethuraman M G. Inhibitive Effect of Black Pepper Extract on the Sulphuric Acid Corrosion of Mild Steel[J]. Materials Letters, 2008, 62(17-18): 2977-2979.