A study of sulfonamides (used as corrosion inhibitor) for the possibility to adsorption on steel

ART 46182

Author:

Andrei Sikachina

Abstract. The published work presents modeled using quantum chemistry package HyperChem version 8.0.7 using semiempirical method ZINDO/1 the adsorption process of organic compounds of the class of sulfonamides, such as iron (available in steel St3S in the amount of 97%). This approach, as will be shown, with high accuracy reflects the process of corrosion protection, with bacterial content by means of chemisorption of organic compounds on the metal surface with the formation of complex compounds. In the research process were obtained and analyzed: the composition of the complexes, a graph showing the dependence of the charge density per atom of iron, from corrosion rates.

Keywords: hyperchem, adsorption, partial effective charges, sulfonamides, corrosion inhibitor, sulphate reducing bacteria, hydrogen sulphide corrosion, st3s steel, iron

Full text

Список принятых авторских сокращений

К – скорость коррозионного процесса, выражаемая в г / м² ∙ сут

q_S– заряд на атоме серы сульфамидной группы

₁q_О - наименьший заряд на атоме кислорода сульфамидной группы

₂q_О - наибольший заряд на атоме кислорода сульфамидной группы

_саq_N- заряд на атоме азота сульфамидной группы

_бq_N– заряд на атоме азота аминогруппы, связанной с бензольным кольцом

q_С=О–заряд на атоме кислорода кетогруппы

_ппq_N– заряд на атоме азота, являющемся составной частью амидной группы

_кq_С– заряд на углероде карбоксильной группы

_э1q_О- наименьший заряд на атоме кислорода группы простого эфира

_э2q_О- наибольший заряд на атоме кислорода группы простого эфира

_Feρ_q-заряд, приходящийся на один атом железа (плотность заряда)

Цель исследования: В данном сообщении ставится цель исследования механизма действия органических ингибиторов микробиологической коррозии, порождаемой сульфатвосстанавливающими бактериями, путем квантово-химического подхода к описанию структуры молекулы.

Материал и методы исследования: Данные по скорости коррозии были взяты из [2, с. 11] для 7 представителей класса сульфаниламидов, выступающих как ингибиторы сероводородной коррозии, добавленные в концентрации 1, 2, 10 мМоль/л в содержащуюся в закрытой системе (пробирка) жидкую стерильную обескислороженную среду Постгейта «Б» (рис. 1):

Определение проводилось при помощи программного комплекса HyperChem 8.0.7.Нахождение величин квантовохимических дескрипторов проводилось в 2 этапа: путем оптимизации геометрии методом молекулярной механики: сначала ММ+, а затем OPLS. Собственно расчет проводился в рамках полуэмпирического ZINDO/1 [3, с. 5]. При задании исходной структуры, в файле-задании был учтен мезомерный эффект по цепи ОС.

Результаты исследования и их обсуждение: Сгенерированные результаты сведены в таблицу 1

Таблица 1. Значения вычисленных квантовохимических дескрипторов молекул сульфаниламидов и комплексных соединений на их основе

Коды соединений	*ОС1*	*ОС2*	*ОС3*	*ОС4*	*ОС5*	*ОС6*	*ОС7*
Е_ВЗМО	-9,334	-8,185	-7,758	-1,871	-7,622	-4,076	-0,164
Е_НСМО	5,990	4,980	5,844	10,525	5,627	5,172	10,745
ΔЕ	15,324	13,165	13,602	12,396	13,249	9,248	10,909
Парциальные эффективные заряды на атомах	q_S = 0,560	_бq_N = -0,336	_бq_N=-0,338	_бq_N= -0,344	_бq_N = -0,339	_кq_С = 0,308	_саq_N = -0,427
	₁q_О= -0,408	q_S= 0,579	q_S=0,534	q_S= 0,477	q_S = 0,539	q_С=О= -0,145	q_S = 0,473
	₂q_О = -0,419	_саq_N= -0,279	₁q_О=-0,419	₁q_О= -0,480	₁q_О = -0,419	_ппq_N= -0,238	₁q_О = -0,476
	_саq_N= -0,306	q_С=О = -0,479	₂q_О=-0,431	₂q_О= -0,481	₂q_О= -0,413	q_S= 0,548	₂q_О= -0,475
		₁q_О =-0,405	_саq_N=-0,234	_саq_N= -0,420	_саq_N = -0,234	₁q_О= -0,415	_бq_N= -0,345
		₂q_О=-0,408		q_С=О = -0,554	_э1q_О = -0,258	₂q_О= -0,420
		_ппq_N=-0,463			_э2q_О = -0,262	_саq_N= -0,224

Состав комплексов	*Fe₁₂[O*С1]	*Fe₁₃[O*С2]	*Fe₁₆[O*С3]	*Na⁺Fe₁₈[OС4]^—*	*Fe₂₁[O*С5]	*Fe₁₉[O*С6]	*Na⁺Fe₂₀[OС7]^—*
Е_ВЗМО	-7,865	-8,361	-7,987	-4,897	-8,171	-7,904	-5,120
Е_НСМО	-2,244	-2,794	-2,974	0,482	-3,225	-1,805	0,993
ΔЕ	5,621	5,567	5,013	5,379	4,946	6,099	6,113
Парциальные эффективные заряды на атомах	q_S = 0,766	_бq_N = -0,140	_бq_N=-0,136	_бq_N= -0,109	_бq_N = -0,092	_кq_С = 0,588	_саq_N = -0,038
	₁q_О= -0,029	q_S= 0,824	q_S=0,785	q_S= 0,782	q_S = 0,750	q_С=О= -0,029	q_S = 0,800
	₂q_О = -0,036	_саq_N= -0,109	₁q_О=-0,040	₁q_О= -0,033	₁q_О = -0,035	_ппq_N= -0,127	₁q_О = -0,035
	_саq_N= -0,111	q_С=О = -0,055	₂q_О=-0,069	₂q_О= -0,020	₂q_О= -0,047	q_S=0,765	₂q_О= -0,033
		₁q_О =-0,072	_саq_N=-0,076	_саq_N= -0,028	_саq_N = -0,039	₁q_О=-0,015	_бq_N= -0,133
		₂q_О=-0,068		q_С=О = -0,083	_э1q_О = -0,029	₂q_О=-0,057
		_ппq_N=-0,166			_э2q_О = -0,112	_саq_N=-0,034
_Feρ_q	-0,296	-0,379	-0,397	-0,337	-0,351	-0,445	-0,398

Зависимость скорости коррозии в концентрации ингибитора 1, 2, 10 мМоль/л от плотности заряда на железе выражается графически (с использованием линейных линий тренда) следующим образом (рис. 1):

Рис. 1. Зависимость скорости коррозии от плотности заряда на железе

Практическая значимость публикуемой работы такова, что графическая зависимость, изображенная на рисунке 1, в пределах более-менее структурно модифицированных ОС данного класса является справедливой, в связи с чем в целях экспрессного подхода возможно применять уравнения заданных линий тренда с угловым коэффициентом, выраженные для исследуемых концентраций:

Таблица 2. Уравнения заданных линий тренда, выраженные для исследуемых концентраций

Концентрация ОС	Характеристическое уравнение
1 ммоль / л	_Feρ_q= 0,11К — 0,56
2 ммоль / л	_Feρ_q= 0,08К — 0,48
10 ммоль / л	_Feρ_q= 0,04К — 0,39

Очевидно, что в концентрации 1 мМоль/л такая зависимость наиболее сильна, т.е. на более резкое увеличение плотности заряда на железе приходится более резкое уменьшение скорости коррозии. При концентрациях выше такая зависимость сохраняется, но выражается менее резко. При скорости коррозии 2,5 г/м²∙сут зависимость скорости коррозии от зарядовой плотности на железе теряется, последняя принимает стабильное значение _Feρ_q= - 0,300.