Elektrochemische und theoretische Untersuchungen der Wirksamkeit des Favipiravir-Arzneimittels als ökologisch unbedenklicher Korrosionsinhibitor für Aluminiumlegierungen in saurer Lösung

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8680 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Aluminium-Silizium-Legierungen sind aufgrund ihrer fehlertoleranten Prozessfähigkeit und angemessenen statischen Eigenschaften zu relativ erschwinglichen Kosten zu einer bevorzugten Option in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie geworden. Ziel dieser Studie war es, die Verwendung des Arzneimittels Favipiravir (FAV) als biokompatiblen und umweltfreundlichen Inhibitor zum Schutz der Oberfläche einer Aluminiumlegierung (AlSi) in einer aggressiven Säureumgebung (1,0 M HCl) zu untersuchen. Die elektrochemischen Messungen belegen, dass FAV als Inhibitor vom Mischtyp mit kathodischer Wirkung einzustufen ist. Bei 100 ppm hatte FAV die höchste Hemmwirkung (96,45 %). FAV ist mit niedrigeren Doppelschichtkapazitätswerten und einem besseren Ladungsübertragungswiderstand verbunden. Diese Ergebnisse zeigen, dass die AlSi-Korrosion in 1,0 M HCl in Gegenwart von FAV verringert wird. Das Langmuir-Modell eignet sich gut für das FAV-Adsorptionsverhalten (R2 ≈ 1). Chemisorption ist die primäre Adsorption in dieser Umgebung. Die theoretische Berechnung untersucht die molekulare Struktur und das Verhalten von Korrosionsinhibitoren. Es wurden verschiedene quantenchemische Eigenschaften des FAV berechnet, darunter Energiedifferenz (ΔE), Weichheit, globale Härte und Energie der Rückbindung in Abhängigkeit von den höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Molekülorbitalen. Darüber hinaus repräsentieren die Populationsanalyse von Mulliken und Fukui und die Karte des molekularen elektrostatischen Potenzials die Elektronenverteilung und die aktiven Zentren des Moleküls. Experimentelle Ergebnisse und quantenchemische Berechnungen stimmten überein, und FAV wird als grüner Korrosionsinhibitor empfohlen.

Aluminium ist eines der flexibelsten und erschwinglichsten metallischen Materialien für verschiedene Branchen, von weichen, hochflexiblen Verpackungsfolien bis hin zu den anspruchsvollsten technischen Anwendungen. Aufgrund seiner hervorragenden Gießfähigkeit verbessert Silikon, das Hauptlegierungselement einer Aluminiumlegierung, die Eigenschaften von Aluminium. Gusslegierungen auf AlSi-Basis machen etwa 90 % aller Aluminiumgussteile aus1. Aufgrund ihres hervorragenden Verschleißes, ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses sowie ihrer hervorragenden Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit werden AlSi-Legierungen in verschiedenen Branchen, beispielsweise im Automobilsektor, insbesondere bei der Herstellung von Kolben2, häufig eingesetzt.

Da die meisten Aluminiumsäurebeizvorgänge in der Industrie HCl-Lösungen3,4 verwenden, ist Aluminiumkorrosion ein unvermeidbares Problem, das praktisch alle Chemieunternehmen betrifft, und eine der schlimmsten technologischen Katastrophen unserer Zeit. Korrosion ist ein weit verbreitetes Problem, da sie zweifellos zur Verschlechterung unserer natürlichen Eigenschaften und zu den damit verbundenen direkten Kosten in Rupien beiträgt. Daher ist der Schutz von Aluminium und seinen Legierungen vor Salzsäurelösungen für expandierende Industrien von entscheidender Bedeutung5.

Verschiedene organische Moleküle werden als Korrosionsinhibitoren für Metalloberflächen verwendet6,7,8,9. Obwohl diese organischen Moleküle einen höheren Schutz bieten, verursachen die meisten von ihnen schädliche Auswirkungen auf die Umwelt. Der Schutz von Aluminiumlegierungen erfordert noch mehr Aufmerksamkeit durch den Einsatz charakteristischer und umweltfreundlicher, korrosionsbeständiger Materialien.

Daher haben sich Korrosionsforscher auf die Entwicklung einer umweltfreundlichen und weniger toxischen Korrosionsbeständigkeit konzentriert. Neue Korrosionsinhibitoren mit minimaler Umweltbelastung, die oft als „grün“ oder umweltfreundlich bezeichnet werden, sind zunehmend wünschenswert und unverzichtbar geworden10,11,12. Die vielversprechendste Alternative zur Verhinderung der Korrosion von Aluminium in sauren Lösungen sind Medikamente, da sie typischerweise aus biologischen Quellen stammen, bei niedrigen Konzentrationen eine starke Hemmwirkung aufweisen und auf natürliche Weise biologisch abbaubar sind13,14,15. Hamza et al.16 verwenden die Gewichtsverlustmethode, um die Adsorptions- und Leistungseigenschaften des Phenylephrin-Arzneimittels für die Korrosion von Al (2024)-Legierungen in 1,0 M HCl zu untersuchen. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass eine Erhöhung der Wirkstoffkonzentration die Wirksamkeit der Phenylephrin-Hemmung verbesserte. Der Wirkstoff Phenylephrin wurde der Adsorptionsisotherme von Langmuir folgend chemisch an der Oberfläche adsorbiert. Bei 500 ppm und 303 K lag die prozentuale Effizienz des Inhibitors bei nahezu 83,92 %.

Die Chemikalien in den Medikamenten sind außerdem biokompatibel und so konzipiert, dass sie sich mühelos in der wässrigen Umgebung des menschlichen Körpers auflösen, da sie für die menschliche Einnahme bestimmt sind. Diese Eigenschaften unterstützen deutlich die Eignung der Arzneimittel als potenzielle Korrosionsinhibitoren17. Pyrazinderivate gelten als umweltfreundliche und wirksame Korrosionsinhibitoren18,19,20. FAV ist ein neues antivirales Medikament, das in Japan zur Behandlung noch nicht entwickelter pandemischer Influenza-Infektionen zugelassen wurde. FAV ist ein Prodrug, das intrazellulär ribosyliert und phosphoryliert wird, um Ibofuranosyl-5-triphosphat zu erzeugen, das den aktiven Metaboliten (T-705-RTP) darstellt. Der chemische Name dieser Verbindung ist 5-Fluor-2-oxo-1H-pyrazin-3-carboxamid21,22. Die Kostenwirksamkeit dieser Art von Inhibitoren steigt, wenn man die abgelaufene Arzneimittelformel verwendet, wie es auch für andere Arten von Arzneimitteln erwähnt wurde17.

Der Einsatz von Quantenberechnungen zur Untersuchung der Korrosionshemmung wurde ausführlich diskutiert23,24,25. Das Hauptziel quantenchemischer Ansätze bestand darin, Verbindungen zwischen molekularer Struktur und Aktivität zu identifizieren und herzustellen, und seitdem wurde eine Fülle wertvoller Erkenntnisse präsentiert26,27,28. In jüngster Zeit konnten verschiedene Methoden mit unterschiedlichen Basissätzen die strukturelle Bedeutung von Korrosionsinhibitoren und ihre Adsorptionsleistung auf den untersuchten Metallen erfolgreich beschreiben29,30.

Zahlreiche Forscher interessieren sich für die Frage nach dem Zusammenhang zwischen molekularer Struktur und der Wirksamkeit der untersuchten Inhibitoren31,32. Die elektronischen Eigenschaften von Korrosionsinhibitoren haben die entsprechende Korrelation erreicht, wie z. B. ihre höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Molekülorbitale, Energiedifferenz, Elektronegativität, Atomladung und Dipolmomente. Kürzlich wurden theoretische Berechnungen33,34 erfolgreich angewendet, um die chemische Struktur der Inhibitoren und ihre Adsorptionseffizienz auf der Oberfläche des Metalls in Beziehung zu setzen.

Das Ziel dieser Arbeit ist die elektrochemische Bewertung der Hemmwirkung von Favipiravir (5-Fluor-2-oxo-1H-pyrazin-3-carboxamid) als neuer Korrosionsinhibitor für Aluminiumlegierungen im am besten geeigneten aggressiven Medium (HCl). Das Adsorptionsverhalten des eingesetzten Arzneimittels wurde untersucht und diskutiert. Darüber hinaus werden quantenchemische Deskriptoren berechnet, die die elektronischen Zeichen mit den experimentellen Daten korrelieren.

BDR Pharmaceuticals International Pvt. Ltd. lieferte Favipiravir (5-Fluor-2-oxo-1H-pyrazin-3-carboxamid) (FAV) (99,98 %) (Mumbai, Indien). Von GEST für das Metallunternehmen erhaltene Aluminium-Silizium-Legierungen (AlSi) besitzen die folgende Gewichtszusammensetzung (in Prozent): Cu-1,99, Si-9,89, Mn-0,22, Ni-0,269, Zn-2,44, Cr-0,037, Fe-1,10 , Ca-0,004 und Al-Rest wurden im Experiment verwendet. Der verwendete Inhibitor kann im Folgenden eingezeichnet werden (siehe Abb. 1).

Struktur für Favipiravir (5-Fluor-2-oxo-1H-pyrazin-3-carboxamid).

Mit destilliertem Wasser und einer 37 %igen HCl-Lösung (AR-Qualität) wurde das aggressive wässrige Medium (1,0 M HCl) hergestellt. Die FAV-Konzentrationen liegen zwischen 20 und 100 ppm. FAV ist in 1,0 M HCl-Lösung ohne Lösungsmittel vollständig löslich.

In den Experimenten wurde eine elektrochemische Einheit mit drei Elektroden mit AlSi als Anoden und Referenz- und Gegenelektroden, einer gesättigten Kalomelelektrode (SCE) und einer Platinspule verwendet. Bei 1,0 mVs−1 (Abtastrate) wurden die potentiodynamischen Kurven bezüglich OCP von −0,30 auf +0,30 V (SCE) verschoben. Nach 600 s langem Eintauchen der Anode in den Test im Frequenzbereich von 100 kHz–10 mHz wurde am OCP eine elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) mit einer Spannungsstörung (10 mV) durchgeführt. Diese Methoden wurden mit dem Gamry3000 „Potentiostat/Galvanostat/ZRA“ getestet und die Daten wurden mit Echem Analyst 7 analysiert.

Für jede Konzentration wurden drei Wiederholungsexperimente durchgeführt. Die Standardabweichung und Mittelwerte für die Inhibitionsleistungsmessungen des FAV wurden statistisch dargestellt.

Mithilfe des Berechnungsmodells DMol3 von Materials Studio v7.0 wurden die untersuchten Moleküle mithilfe des DNP-Basissatzes konstruiert und geometrisch optimiert. Quantenchemische Parameter wie Grenzmolekülorbitale, „höchste besetzte (EHOMO) und niedrigste unbesetzte (ELUMO) Molekülorbitale, Energiedifferenz „ΔE“, Ionisationspotential „I“, Elektronenaffinität „A“, Elektronegativität „χ“, Weichheit“ σ“ und die globale Härte „η“ wurden unter Verwendung der nächsten Beziehungen28,35 ermittelt.

Die Molekülorientierung des Inhibitors auf der Metalloberfläche wurde mithilfe von Adsorptionsglühsimulationen bestimmt. Mit einer Teildicke von 7,014 und einer Spaltungsebene von 111 kann man eine massive kubische Al-Elementarzelle spalten, um die Adsorbatoberfläche zu erzeugen. Um mögliche Wechselwirkungen zwischen den periodischen Bildern des Systems zu beseitigen, wurde eine 6 × 6 × 1-Superzelle konstruiert und wiederholt in drei Dimensionen kopiert, wobei zwischen jeder Kopie ein Vakuum von mindestens 20 mm herrschte. In der kondensierten Phase optimierte molekulare Potenziale für atomistische Simulationsstudien (COMPASS), ein Kraftfeld der zweiten Generation, das präzise Vorhersagen thermophysikalischer Eigenschaften für eine Reihe von Materialien ermöglicht, wurden je nach Gaussian 09 verwendet, um ein geometrieoptimiertes FAV hinzuzufügen Metalllegierungsoberfläche mithilfe des Adsorptionslokalisators, der im Biovia Materials Studio-Paket enthalten ist36.

Die Auftragung von OCP gegen die Zeit für AlSi in 1,0 M HCl-Lösung in Abwesenheit und Anwesenheit verschiedener FAV-Dosen bei 298 K ist in Abb. 2a dargestellt. Nach 600 s erreichte der OCP stabile und konstante Werte.

(a) Auftragung von OCP gegen die Zeit und (b) Polarisationsprofile für AlSi in Abwesenheit und Anwesenheit verschiedener FAV-Dosen in 1,0 M HCl bei 298 K.

Abbildung 2b zeigt das Muster der kathodischen und anodischen Polarisation in 1,0 M HCl für AlSi bei 298 K in Abwesenheit/Anwesenheit verschiedener FAV-Dosierungen. Die Verwendung von Tafel-Linien zur Quantifizierung elektrochemischer kinetischer Deskriptoren, einschließlich Korrosionspotential (Ecorr), Tafel-Steigungen (Ba und Bc) und der Stromdichte der Korrosion (Icorr) (siehe Tabelle 1). Der Icorr stellt die Korrosionsrate für elektrochemische Korrosion dar37. Die Hemmwirkung (EP%) von FAV wird berechnet mit38:

wobei Icorr(0): die aktuelle Korrosionsdichte für den Rohling.

In Bezug auf Tabelle 1 deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Zugabe von FAV zu einer signifikanten Verringerung der Stromdichte von Icorr führt. Wenn FAV in 1,0 M HCl eingeführt wird, werden die anodischen Metalllösungs- und kathodischen Reduktionsprozesse verlangsamt. Eine zusätzliche Untersuchung zeigt, dass die Auswirkung der Unterdrückung der anodischen AlSi-Auflösungsreaktion weniger ausgeprägt ist als die Auswirkung der Behinderung des kathodischen Reduktionsprozesses.

Tabelle 1 zeigt, dass die Zugabe von FAV die kathodische Richtung der Ecorr-Werte nur geringfügig verändert. Wenn Ecorr um mehr als 85 mV schwankt, wird der Inhibitor als kathodisch oder anodisch klassifiziert39. Ecorr verschiebt sich im Vergleich zu einer Blindlösung um etwa 17 mV (Tabelle 1), was darauf hinweist, dass FAV ein Inhibitor gemischter Typen ist.

Die Zugabe von FAV führte zu erheblichen Änderungen der Ba- und Bc-Werte, wie in Tabelle 1 gezeigt. Die Änderung der Ba-Werte hing mit der Möglichkeit eines Redoxkomplexierungsprozesses unter Beteiligung von AlSi-FAV-Komplexen zusammen und wurde auch von der Menge beeinflusst des FAV40. Die Hemmwirkung verbessert sich, wenn die FAV-Konzentration von 20 auf 100 ppm steigt. Die maximale Inhibitionseffizienz (EP % = 96,45) wird bei 100 ppm erreicht, was darauf hinweist, dass FAV ein wirksamer AlSi-Inhibitor (1,0 M HCl) ist. Die Korrosionseffizienz von FAV ändert sich über 100 ppm nicht wesentlich. Dies ist besonders wichtig, da sich auf der Oberfläche von AlSi41 eine adsorbierende und widerstandsfähige FAV-Beschichtung bildet. Die Schicht stellt eine physikalische Barriere dar und verhindert, dass korrosive Stoffe zur AlSi-Oberfläche diffundieren. Das FAV adsorbiert auf der Oberfläche von AlSi aufgrund des Vorhandenseins von Sauerstoff- und Stickstoffatomen. Es wird angenommen, dass die Sauerstoff- und Stickstoffatome der Reaktionszentrum des Adsorptionsprozesses sind. Bei der FAV-Adsorption auf einer AlSi-Oberfläche werden typischerweise ein oder mehrere H2O-Moleküle ausgetauscht, die auf der AlSi-Oberfläche adsorbiert wurden.

Um Informationen über die oberflächenaktiven Schichten auf dem AlSi zu sammeln, wurde eine EIS-Studie in 1 M HCl ohne und mit verschiedenen FAV-Dosierungen durchgeführt. Abbildung 3a zeigt das entsprechende Nyquist-Diagramm und Abbildung 3b zeigt die Bode-Diagramme des AlSi, das bei 298 K untersucht wurde. Die Nyquist-Diagramme zeigen eine kapazitive Schleife, die bei einer sehr hohen Frequenz (HF) arbeitet, und einen induktiven Schaltkreis, der bei einer niedrigen Frequenz arbeitet (LF). Der Widerstand der Ladungsübertragung der Oxidschicht auf Al könnte auf die kapazitive HF-Schleife zurückzuführen sein42,43. Ein induktiver Schaltkreis war auch für die Auflösung von Al bei niedrigen Frequenzen und die erneute Auflösung des Oberflächenoxidfilms verantwortlich. Oberflächenvariationen oder Änderungen der Salzfilmeigenschaften wie Dichte, Ionenleitfähigkeit oder Dicke können das induktive Verhalten erklären. Der Durchmesser der HF- und LF-Schleifen nahm mit zunehmendem FAV-Anteil deutlich zu. Dies könnte auf die Bildung eines Films auf der Oberfläche der AlSi-Legierung zurückzuführen sein44,45.

Impedanzspektren (a) Nyquist, (b) Bode-Modul- und Phasenwinkeldiagramme, (c) Ersatzschaltbild für AlSi in Abwesenheit und Anwesenheit verschiedener FAV-Dosen in 1,0 M HCl bei 298 K.

Das Diagramm von Z über der Frequenz in Abb. 3b zeigt, dass die Impedanz, die mit dem Ladungsübertragungswiderstand Rct verbunden ist, mit steigender FAV-Konzentration zunimmt. Aufgrund ihrer polaren Natur neigt die hohe Konzentration der FAV-Moleküle in der Lösung dazu, an der Oberfläche der AlSi-Legierung zu haften und miteinander zu interagieren, um eine Schichtanordnung zu bilden, die in der Lage ist, die Übertragung von Elektronenladungen zu verhindern, was die Ursache für |Z| ist Zuwachs.

Darüber hinaus ist zu beachten, dass das Vorhandensein des FAV zu einem Anstieg des mittelfrequenten Phasenmaximums (ɵmax) führt (siehe Abb. 3b). Der Anstieg von ɵmax lässt auf eine wirksamere Barrierewirkung der FAV-Schichten gegenüber korrosiven Ionen schließen, da das Mittelfrequenzverhalten durch Diffusion durch die Oberflächenfilme verursacht wird.

Die Anpassung der EIS-Daten an ein äquivalentes Stromkreismodell ist in Abb. 3c dargestellt.

Die EIS-Impedanzdaten wurden in Tabelle 2 aufgezeichnet. FAV erhöht den Ladungsübertragungswiderstand (Rct) und verringert gleichzeitig die Doppelschichtkapazität (Cdl). Diese Ergebnisse zeigen, dass die Einbeziehung der FAV-Verbindung die Korrosion von AlSi in 1,0 M HCl minimiert. Die Hemmwirkung von FAV wird aus EIS-Daten (ER %) unter Verwendung der folgenden Formeln berechnet46:

wobei Rcto: der Ladungsübertragungswiderstand für Rohling.

Die ER%-Werte steigen mit der FAV-Dosierung (Tabelle 2). Bei hohen Dosen (100 ppm) betrug der ER-Prozentsatz des FAV 81,29 %. Das Effizienzmuster bei der Impedanzanalyse ist analog zu dem bei der Polarisationsanalyse.

Eine Adsorptionsisotherme ist hilfreich, um die Formen, Orte und Wechselwirkungen zwischen einer Metalloberfläche und einem Inhibitor herauszufinden. Die Hauptparameter, die das Verhalten eines Inhibitors in einem korrosiven Medium auf der Metalloberfläche erklären, sind θ Oberflächenbedeckung und (C) die Inhibitorkonzentration. Die Langmuir-Modelle wurden angewendet, um den Adsorptionsprozess und die Wechselwirkungen zwischen Metalloberflächen und PAV-Molekülen zu charakterisieren. Steigung, Achsenabschnitt und Regressionskoeffizient werden bestimmt, indem die oben genannten Modelle angewendet und die Werte mithilfe einer linearen Gleichung aufgetragen werden. Das Langmuir-Modell hat die besten R2-Werte, etwa gleich 1. Daher haben wir erwartet, dass die AlSi-Oberfläche mehrere aktive Korrosionsstellen aufweist, die jeweils von einem adsorbierten Molekül bedeckt sind47.

Die Beziehung zwischen der Konzentration (CFAV) und der Oberflächenbedeckung (θ) von Inhibitoren im Langmuir-Modell wird wie folgt ausgedrückt:

wobei Kads: die Gleichgewichtskonstante und CFAV: die Konzentration des Inhibitors durch Substitution in der obigen Gleichung durch die aus der PP- und EIS-Messung erhaltenen Werte der Oberflächenbedeckung (θ) und anschließendes Auftragen einer Beziehung zwischen CFAV/\(\theta\) und CFAV können wir die Kads-Werte berechnen, Abb. 4. Die berechneten Kads-Werte des Inhibitors betragen 0,014592 und 0,012618 M−1 für PP bzw. EIS. Die höheren Kads-Werte weisen auf eine starke Adsorption des Inhibitors auf der Oberfläche der AlSi-Legierung hin48,49. Die standardmäßige freie Adsorptionsenergie ΔG0ads wurde unter Verwendung der folgenden Beziehung9,50 ermittelt:

Langmuir-Adsorptionsisothermen für FAV bei 298 K, erhalten aus PP- und EIS-Daten.

Die Konzentration der Wassermoleküle in der Lösung (in Mol/l) wird durch den Faktor 55,5 und R: die universelle Gaskonstante (8,314 J/Kmol) dargestellt. Negative ΔG0ads weisen darauf hin, dass die FAV-Adsorption ein thermodynamisch spontaner Prozess ist, der eine stabile Schutzschicht auf der Al-Si-Legierungsoberfläche bilden kann. Im Allgemeinen gilt, wenn ΔG0ads einen absoluten Wert von weniger als 20,0 kJ/mol hat. Der Adsorptionsprozess ist Physisorption; Wenn die Adsorptionsenergie jedoch < 40,0 kJ/mol beträgt, handelt es sich bei der Adsorption um eine Chemisorption. pp hat einen Wert von − 58,5653 kJ/mol, während EIS einen Wert von − 54,8825 kJ/mol hat. Die Hauptadsorption ist in diesem Fall also die Chemisorption51,52.

Computerberechnungen dienen in der Regel der Untersuchung von Korrosionshemmmechanismen ohne den Einsatz von Laborinstrumenten53. Anhand dieser Ergebnisse ist es möglich, eine Methode zur Korrelation zwischen FAV und Aluminiumlegierungen vorzuschlagen. Die Reaktivität von Inhibitoren wurde mithilfe des molekularen elektrostatischen Potenzials (MEP) anhand der Farben des Bereichs für nukleophile und elektrophile Angriffe visualisiert. Die MEP-Karten sowohl der protonierten als auch der neutralen Inhibitoren sind in Abb. 5a dargestellt. Die Farben Rot und Grün auf der MEP-Karte sind anfällig für nukleophile Angriffe, während Grün und Blau anfällig für elektrophile Angriffe sind54.

(a) Molekulares elektrostatisches Potential (b) optimiert, HOMO und LUMO für FAV. (c) Fukui-Funktionen für FAV.

Nach der Geometrieoptimierung (Gesamtenergie = – 640 eV) werden die Verteilungen HOMO (Elektronenspendefähigkeit) und LUMO (Rückspendefähigkeit) des Inhibitors erhalten und in Abb. 5b dargestellt. Das HOMO ist über dem Teil mit hoher Elektronendichte des FAV (Benzolring und Sauerstoff) lokalisiert. Darüber hinaus befindet sich LUMO auf dem gesamten Molekül. In Bezug auf Tabelle 3 weist FAV eine geringere Energiedifferenz und EHOMO sowie einen kleinen ELUMO-Wert auf, was auf seine Absorption auf der AlSi-Oberfläche durch Donation und Rückdonation hinweist28,55. Darüber hinaus begünstigen niedrigere Werte der Energielücke (ΔE), der Elektronegativität und des Ionisationspotentials (siehe Tabelle 3) die Tendenz der FVA, ein Elektron an das freie Orbital der untersuchten Legierung abzugeben. Das Dipolmoment (μ) ist ein Maß für die Hydrophobie eines Moleküls. Die Ergebnisse zeigen, dass Moleküle mit niedrigerem Dipolmoment die Adsorptionseffizienz des Inhibitormoleküls auf der Metalloberfläche besser beeinflussen32. Die mit der Rück-Donat-Wechselwirkung verbundene Energieverschiebung wird von Ebenso et al.56 in Abhängigkeit von der globalen Härte berechnet (ΔE-Rückdonation = − η/4). Bei FAV deuten die negativen Energiewerte darauf hin, dass der Spende- und Rückspendeprozess energetisch oder spontan begünstigt wird. Der niedrigere Wert des Dipolmoments von FAV (μ = 1,65 Debye) bestätigte seine Adsorptionseffizienz. Darüber hinaus werden weitere wichtige Quantendeskriptoren wie globale Härte (η) und höhere Weichheit (σ) berechnet und belegen die signifikante Reaktivität von FAV57.

In Bezug auf die MEP-Karte und die zuvor berechneten Quantendeskriptoren weist das untersuchte Arzneimittel einen nukleophilen Charakter mit weniger elektrophilen Stellen auf, was auf die große Tendenz der Adsorption an der Metalloberfläche mit unterstützter Rückspende hinweist. Die vorherigen elektronischen Eigenschaften werden mit den experimentellen Daten abgeglichen und beide bestätigten die Fähigkeit des FAV zur Donation und Rückdonnerung, eine Widerstandsschicht auf der Metalloberfläche zu bilden.

Darüber hinaus kann die Populationsanalyse nach Mulliken und Fukui zur Berechnung von Atomladungen verwendet werden, und diese Berechnungen können zum Verständnis der molekularen Eigenschaften von FAV-Molekülen nützlich sein. Diese Verzeichnisse werden mit dem Dmol3-Modul in der Software Materials Studio 7 generiert. Fukui-Indizes sind ein wichtiger Indikator, der die lokale Reaktivität einer Chemikalie anzeigt. Daher ist es wichtig, eine detaillierte Untersuchung der atomaren Stellen durchzuführen, um besser zu verstehen, wie lokale reaktive Stellen und hemmende Wirkungen zusammenhängen. Außerdem ermöglicht die Definition dieser atomaren Stellen aus der Perspektive der Reaktivität eines Moleküls, diese Hypothesen zu verknüpfen58.

Die in Abb. 5c dargestellten kondensierten Fukui-Funktionen gelten sowohl für den nukleophilen (f+) als auch den elektrophilen (f−) Angriff sowie für den elektrophilen Angriff auf das N-Atom. Berechnete Mulliken-Atomladungen für die Atome jeder Verbindung zeigen, dass Stickstoff- und Sauerstoffatome häufig elektronegativer sind. Abbildung 5c ​​zeigt die kondensierten Fukui-Funktionen sowohl für (f+)- als auch für (f−)-Angriffe sowie den elektrophilen Angriff auf das N-Atom. Die Berechnung der Atomladungen nach Mulliken für die Atome jeder Verbindung zeigt, dass die elektronegativsten Atome N und O sind.

Abbildung 6 zeigt die Adsorptionsausheilung des FAV auf der Oberfläche von AlSi. FAV weist während des Simulationsprozesses die Adsorptionsenergie auf, was die Hemmungseffizienz von FAV bestätigt [111] (siehe Tabelle 4). Dadurch werden die FAV-Moleküle auf der AlSi-Oberfläche adsorbiert und es entstehen stabile adsorbierte Schichten, die einen Korrosionsschutz für die AlSi-Oberfläche aus 1,0 M HCl bieten, wie sowohl praktische als auch theoretische Studien gezeigt haben. In diesem Szenario sorgt das Vorhandensein einer Amidgruppe für eine bemerkenswertere Fähigkeit zur Wechselwirkung mit der AlSi-Oberfläche. Infolgedessen ist es unbestreitbar wahr, dass die Existenz von Heteroatomen und elektronenspendenden Gruppen sowie die Delokalisierung des π-Elektrons die Wechselwirkung und den Grad der Adsorption des untersuchten FAV erleichtern. Tabelle 4 fasst die Wechselwirkung und Bindungsenergie des untersuchten Inhibitors zusammen. Das FAV hat eine höhere Bindungsenergie (212,28 kcal/mol) im Vergleich zu anderen Arzneimitteln, Antipyrinderivaten58 und antimykotischen Substanzen, die als grüne Inhibitoren für Aluminiumlegierungen eingesetzt wurden (Bifonazol (BE = − 76,31), Econazol (BE = − 76,31). und Butoconazol (BE = − 76,31))59. Dies bestätigte, dass FAV eine größere Chance hat, an Metalloberflächen zu haften und wirksamer ist60.

Seiten- und Draufsichten der am besten geeigneten Konfiguration für die Adsorption von FAV auf der Al(110)-Oberfläche, erhalten durch MD-Simulationen in der wässrigen Lösung.

Um die beobachteten hemmenden Wirkungen zu bewerten und zusätzliches Licht darauf zu werfen, wie das Medikament Favipiravir Korrosion hemmt und mit Metalloberflächen interagiert, wurden quantenchemische Berechnungen und elektrochemische Messungen untersucht. Aus der Recherche lassen sich folgende Erkenntnisse ableiten:

FAV-Medikamente zeigen eine hervorragende Korrosionshemmung für Aluminiumlegierungen (AlSi) in einer sauren Umgebung.

Die Hemmwirkung des untersuchten Arzneimittels steigt mit der Konzentration und erreicht eine maximale Leistung von 96,45 % bei 100 ppm.

Polarisations- und EIS-Experimente zeigten, dass FAV die Geschwindigkeit der AlSi-Korrosion erheblich beeinflusst und als gemischter Inhibitor wirkt.

Die Langmuir-Isotherme regelt die FAV-Adsorption auf AlSi-Oberflächen.

Die Adsorption von FAV auf der AlSi-Oberfläche erfolgt bei Chemikalien in der Natur spontan.

FAV besitzt eine höhere Bindungsenergie = 212 kcal/mol, was darauf hinweist, dass es eher an Metalloberflächen adsorbiert wird und wirksamer ist als die zuvor aufgeführten Arzneimittel.

Die aus den experimentellen und den Quantenberechnungen ermittelten Korrosionsparameter stimmen gut überein.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken dem Dekanat für wissenschaftliche Forschung der Northern Border University, Arar, KSA für die Finanzierung dieser Forschungsarbeit unter der Projektnummer „NBU-FFR-2023-0039“.

Ägyptisches Erdölforschungsinstitut (EPRI), Nasr City, Kairo, Ägypten

MA Deyab & Omnia AA El-Shamy

Fachbereich Chemie, College of Sciences and Arts, Northern Border University, PO 840, 91911, Rafha, Saudi-Arabien

Hamdy Khamees Thabet

Fakultät für Chemie, Fakultät für Naturwissenschaften (Jungen), Al-Azhar-Universität, Kairo, 11884, Ägypten

Ashraf M. Ashmawy

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MAD: Konzeptualisierung; Rollen/Schreiben – Originalentwurf; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. OAAES: Rollen/Schreiben – Originalentwurf; quantenchemische Berechnungen; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. HKT: Fördermittelakquise; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. AMA: Konzeptualisierung; Datenkuration; Formale Analyse; Untersuchung; Methodik; Projektverwaltung; Ressourcen; Software; Validierung; Visualisierung; Rollen/Schreiben – Originalentwurf; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten.

Korrespondenz mit MA Deyab oder Hamdy Khamees Thabet.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Deyab, MA, El-Shamy, OAA, Thabet, HK et al. Elektrochemische und theoretische Untersuchungen der Wirksamkeit des Favipiravir-Arzneimittels als ökologisch unbedenklicher Korrosionsinhibitor für Aluminiumlegierungen in saurer Lösung. Sci Rep 13, 8680 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35226-0

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Eingegangen: 10. Februar 2023

Angenommen: 15. Mai 2023

Veröffentlicht: 29. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35226-0

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