摘" 要：采用密度泛函理論（DFT）和分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD）研究了3種喹諾酮類衍生物的前線軌道分布、全局反應(yīng)活性和局部反應(yīng)活性，并模擬其在1 mol/L鹽酸溶液中與Fe（110）表面的吸附行為.結(jié)果表明，3種喹諾酮類衍生物分子的HOMO軌道在喹諾酮和哌嗪環(huán)上，而LUMO軌道在喹諾酮和羧基上，這種分布使喹諾酮類衍生物在吸附時(shí)形成多吸附中心；全局活性參數(shù)研究表明反應(yīng)活性從高到低依次是：環(huán)丙沙星，諾氟沙星，左氧氟沙星.徑向分布函數(shù)（RDF）表明，在平衡吸附時(shí)喹諾酮類衍生物與Fe（110）表面的距離由小到大依次為：諾氟沙星，環(huán)丙沙星，左氧氟沙星.DFT和MD模擬研究結(jié)果可以很好揭示3種喹諾酮衍生物在酸化介質(zhì)中的緩蝕行為及作用機(jī)理，表明DFT和MD用于優(yōu)選緩蝕劑及研究緩蝕部分機(jī)理具有一定可行性.

關(guān)鍵詞：喹諾酮;緩蝕劑;密度泛函理論;分子動(dòng)力學(xué)模擬

中圖分類號(hào)：TG174.4""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1000-2367（2024）06-0119-09

通常緩蝕劑的性能主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)估，如失重法，動(dòng)電位極化和電化學(xué)阻抗譜等［1-3］，但這些方法耗時(shí)較長(zhǎng)，如失重法需要在介質(zhì)中掛片4 h（酸化介質(zhì)）～168 h（水介質(zhì)），場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡測(cè)量需在介質(zhì)中浸泡24 h等［4-5］，容易產(chǎn)生污染和浪費(fèi)且測(cè)試抑制效率時(shí)容易受到限制，還無(wú)法從微觀層面揭示金屬表面和緩蝕劑的相互作用機(jī)制［6-8］.VOSTA等［9］將量子化學(xué)首次應(yīng)用于緩蝕劑的選擇和評(píng)價(jià)，并開(kāi)發(fā)了幾種量子化學(xué)方法和分子建模技術(shù).與實(shí)驗(yàn)方法不同，量子化學(xué)計(jì)算不僅能優(yōu)選緩蝕劑，還能從微觀尺度研究緩蝕劑的作用機(jī)理，如評(píng)估緩蝕劑分子與金屬表面作用能、判斷緩蝕劑分子的全局和局部活性，提供表面吸附緩蝕劑分子的實(shí)際界面構(gòu)型和吸附能等，且不會(huì)使用、排放對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)（如強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)、鹽酸、土酸等）［10-12］.緩蝕劑在金屬表面吸附的第一性原理的密度泛函理論（density functional theory，DFT）可以作為有效的計(jì)算工具來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分子動(dòng)力學(xué)模擬（molecular dynamics simulation，MD）可以提供表面吸附緩蝕劑分子的實(shí)際界面構(gòu)型和吸附能［13-14］，因此計(jì)算模擬已經(jīng)成為研究緩蝕劑緩蝕性能更高效、更環(huán)保的方法.前期本課題組采用實(shí)驗(yàn)方法研究了常見(jiàn)的喹諾酮類衍生物——環(huán)丙沙星（ciprofloxacin，cip）、諾氟沙星（norfloxacin，nor）、左氧氟沙星（levofloxacin，lev）在酸化介質(zhì)中對(duì)不同鋼材的緩蝕性能［15］，但對(duì)3種衍生物緩蝕作用的微觀機(jī)制研究不深入，基于密度泛函計(jì)算及分子動(dòng)力學(xué)模擬可以從微觀尺度研究緩蝕劑的作用機(jī)理，優(yōu)選緩蝕劑，只需要少量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，省時(shí)且減少實(shí)驗(yàn)廢鹽酸介質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染.因此，本文采用DFT研究了3種喹諾酮類衍生物的前線軌道分布、全局反應(yīng)活性和局部反應(yīng)活性，利用MD模擬其在

收稿日期：2024-02-02;修回日期：2024-04-27.

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2016ZX05040003）;中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（2021DJ6606）.

作者簡(jiǎn)介：丁玲（2001-），女，湖北恩施人，長(zhǎng)江大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛蜌馓飸?yīng)用化學(xué)， E-mail：dl127420@163.com.

通信作者：陳武，長(zhǎng)江大學(xué)教授，博導(dǎo)，主要從事油氣田應(yīng)用化學(xué)及環(huán)保的科研和教學(xué)工作，E-mail：ccww91@126.com；馮曉君，博士，主要從事土壤/地下水污染修復(fù)技術(shù)及理論模擬研究， E-mail：18827123486@163.com.

引用本文：丁玲，陳武，馮曉君，等.鹽酸介質(zhì)中喹諾酮類衍生物緩蝕機(jī)理的分子模擬研究［J］.河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，52（6）：119-127.（Ding Ling，Chen Wu，F(xiàn)eng Xiaojun，et al.Molecular simulation of corrosion inhibition mechanism of quinolone derivatives in hydrochloric acid medium［J］.Journal of Henan Normal University（Natural Science Edition），2024，52（6）：119-127.DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2024.02.02.0002.）

1 mol/L鹽酸溶液中與Fe（110）表面的吸附行為，以探討計(jì)算模擬緩蝕劑緩蝕性能及機(jī)理的可行性.

1" 研究的理論基礎(chǔ)

1.1" 密度泛函理論（DFT）

3種喹諾酮類衍生物分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示.為了在同一基組水平上計(jì)算前線軌道分布、全局參量（如化學(xué)勢(shì)、硬度、親電指數(shù)等）和局部參量（Fukui指數(shù)），分析緩蝕劑分子的全局反應(yīng)活性和局部反應(yīng)活性，揭示3種喹諾酮類衍生物緩蝕性能差異的原因，就必須對(duì)緩蝕劑分子進(jìn)行幾何構(gòu)型優(yōu)化，以獲得更接近實(shí)際狀態(tài)的分子構(gòu)型，確保在計(jì)算過(guò)程中優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的3種喹諾酮類衍生物的能量均為勢(shì)能面上的極小點(diǎn)（無(wú)虛頻），也就是最穩(wěn)定的構(gòu)型.在MD模擬中，使用這樣的穩(wěn)定構(gòu)型作為起始點(diǎn)，有助于減少模擬過(guò)程中的能量波動(dòng)和不穩(wěn)定行為，使模擬結(jié)果更加可靠.因此，參考文獻(xiàn)［16-18］，采用Gaussian 的DFT/B3LYP方法，在6-311G+（d，p）基組水平對(duì)3種喹諾酮類衍生物緩蝕劑分子進(jìn)行了幾何構(gòu)型優(yōu)化，結(jié)果見(jiàn)表1所示.

1.2" 分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD）

1.2.1" 模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文使用Material Studio軟件來(lái)進(jìn)行模型構(gòu)建和模擬過(guò)程研究［19］.由于模擬采用單個(gè)分子可以使過(guò)程變得相對(duì)簡(jiǎn)單且直觀［16，20］，因此以3種喹諾酮類衍生物的單個(gè)分子為代表，來(lái)揭示其緩蝕作用的微觀機(jī)制，將理論研究與前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，以更好評(píng)估3種緩蝕劑的性能.本文采用DFT和MD計(jì)算分析喹諾酮類衍生物的量子化學(xué)參數(shù)、Fukui函數(shù)、吸附構(gòu)型和相互作用能以及徑向分布函數(shù)（radial distribution function，RDF）.

1.2.2" 模型的建立

以cip為代表，其分子構(gòu)型如圖2（a）所示.在熱力學(xué)上，F(xiàn)e（110）面的能量低，是一個(gè)致密堆積的表面，晶面更穩(wěn)定，有更多的接觸點(diǎn)可與緩蝕劑相互作用［14，19］，故選擇Fe（110）面為吸附表面.Fe晶體屬于立方晶系，空間點(diǎn)群為m-3m，其晶格參數(shù)a=b=c=0.286 6 nm，α=β=γ=90°.首先將Fe晶胞沿（110）表面切割，其厚度為1.629 nm，然后通過(guò)構(gòu)建超晶胞來(lái)改變金屬的表面積，建立一個(gè)每層有100個(gè)鐵原子的體系，代表真空區(qū)域?yàn)?.234 nm的（10×10）晶胞［21］，如圖2（b）所示.再構(gòu)建緩蝕劑分子在水溶液中隨機(jī)分布的無(wú)定形結(jié)構(gòu)，為了建立更可靠的模型，將鹽酸加入到所研究體系的溶液層中，在1 mol/L的鹽酸溶液中，水分子與氯化氫的個(gè)數(shù)比為500∶9，故中間層包含有1個(gè)緩蝕劑分子、9個(gè)H3O+、491個(gè)水分子和9個(gè)Cl-，溶液層的X和Y方向大小與金屬表面相同［16］，如圖2（c）所示.最后建立吸附模型，底層為Fe（110）表面，中間層為緩蝕劑分子溶液，最上為2 nm的真空層，如圖2（d）所示.

1.2.3" 模擬研究過(guò)程

模擬過(guò)程中，除金屬表面的3層原子以外，其他金屬原子均被固定，緩蝕劑分子與金屬表面保持自由相互作用.首先對(duì)構(gòu)建好的吸附模型進(jìn)行能量最小化，在此基礎(chǔ)上對(duì)吸附模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，采用COMPASS力場(chǎng)，NVT系綜，模擬溫度為298 K，截?cái)喟霃綖?.55 nm，范德瓦爾斯和庫(kù)侖相互作用分別采用Atom Based方法和Ewald方法計(jì)算.模擬時(shí)間為3 000 ps，步長(zhǎng)為1.0 fs，每5 000 fs記錄一幀，Maxwell-Boltzmann分布隨機(jī)產(chǎn)生體系中各個(gè)分子的原始運(yùn)動(dòng)速率，在周期性邊界條件下運(yùn)用Velocity Verlet算法求解牛頓運(yùn)動(dòng)方程.

緩蝕劑分子與金屬表面的相互作用能（Einteraction）計(jì)算公式如下［22］：

Einteraction=Etotal-（Einh+E（surf+water）），（1）

式中，Etotal是整個(gè)體系的總能量，Einh是體系中只包含緩蝕劑分子時(shí)的能量，E（surf+water）是體系中只包含金屬表面和溶液分子時(shí)的能量.

2" 結(jié)果與討論

2.1" 前線軌道分布

前線軌道理論認(rèn)為分子的前線軌道對(duì)化合物間能否相互作用有決定性作用［23-24］.通過(guò)分析緩蝕劑分子的最高占有軌道（HOMO）和最低空軌道（LUMO）了解分子給予電子的能力.如表1所示，cip、nor和lev的HOMO軌道均在其分子結(jié)構(gòu)中的哌嗪環(huán)和喹啉酮上，它們的LUMO軌道則在其喹啉酮和部分羧基上.這說(shuō)明緩蝕劑分子的哌嗪環(huán)和喹啉酮傾向于提供電子，同時(shí)，喹啉酮和羧基也易于接收反饋電子.這主要是由于喹啉酮具有共軛結(jié)構(gòu)，既可以提供電子也可以接收電子，而羧基是強(qiáng)吸電子基［25］.吸附時(shí)，分子中哌嗪環(huán)與喹啉酮會(huì)提供電子到金屬的3d軌道形成配位鍵，同時(shí)，金屬的3d軌道會(huì)反饋電子給分子中喹啉酮和羧基形成反饋鍵，從而形成多個(gè)吸附中心［17］.

2.2" 全局活性分析

根據(jù)前線分子軌道理論，EHOMO反映了分子給電子的能力，ELUMO反映分子接受電子的能力，能隙ΔE和絕對(duì)硬度η可以反映緩蝕劑分子的穩(wěn)定性，分子的反應(yīng)活性隨著ΔE的減小而增加.因此，ΔE越小，越可極化，電子傳輸越好［13，26］.為了對(duì)喹諾酮類衍生物分子的全局反應(yīng)活性進(jìn)行全面了解，參考文獻(xiàn)［18，27］計(jì)算了能隙ΔE、絕對(duì)硬度η、電負(fù)性χ、全局軟度S和電子轉(zhuǎn)移數(shù)ΔN等量子化學(xué)參數(shù)，計(jì)算公式分別如式（2）～（6）所示，其中式（6）中的χFe是金屬Fe的絕對(duì)電負(fù)性，ηFe是金屬Fe的絕對(duì)硬度，χinh是緩蝕劑的絕對(duì)電負(fù)性，ηinh是緩蝕劑的絕對(duì)硬度.為了計(jì)算電子轉(zhuǎn)移數(shù)，使用了塊狀鐵電負(fù)性的理論值χFe=7 eV，整體硬度ηFe=0 eV［28-29］.若ΔN＜3.6，則表示緩蝕劑分子傾向于向金屬表面提供電子，在這種情況下，抑制效率隨著這些抑制劑對(duì)金屬表面的電子供體能力的增加而增加［30-31］.3種喹諾酮類衍生物分子的量子化學(xué)參數(shù)計(jì)算如表2所示.

ΔE=ELUMO-EHOMO，（2）

η=12（ELUMO-EHOMO），（3）

χ=-12（ELUMO+EHOMO），（4）

S=1η，（5）

ΔN=χFe-χinh2（ηFe+ηinh）.（6）

由表2數(shù)據(jù)可知，緩蝕劑分子的EHOMO由大到小依次為：cip，nor，lev；ELUMO、ΔE和η由小到大依次均為：cip，nor，lev.這說(shuō)明cip的給電子能力強(qiáng)，nor其次，最弱是lev.同時(shí)，cip的弱穩(wěn)定性也有利于其在金屬表面的吸附行為，這一數(shù)據(jù)也解釋了文獻(xiàn)［15］中3種緩蝕劑的緩蝕率差異性.電負(fù)性表示分子接受電子的能力，而良好的緩蝕劑通常是反應(yīng)活性高，能夠提供電子到金屬表面，因此，緩蝕劑的反應(yīng)活性隨電負(fù)性值的降低而增加［27］.然而，nor的電負(fù)性卻比cip小，這可能是量子化學(xué)參數(shù)ELUMO、ΔE、η的影響占主導(dǎo)，超過(guò)了電負(fù)性χ對(duì)3種喹諾酮衍生物緩蝕劑緩蝕性能的影響，同時(shí)也表明，在開(kāi)展模擬研究時(shí)不能僅參考單一參數(shù)進(jìn)行緩蝕性能優(yōu)劣判斷，還需要借助實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證.此外，3種緩蝕劑的ΔN小于3.6，說(shuō)明它們?cè)谖竭^(guò)程中均表現(xiàn)為供電子體.

2.3" 局部活性分析

Fukui函數(shù)是概念密度泛函理論（DFT）中的一個(gè)重要概念，是預(yù)測(cè)反應(yīng)分子反應(yīng)活性位點(diǎn)的重要方式［32-33］.根據(jù)密度泛函理論，F(xiàn)ukui函數(shù)表達(dá)式為f（r）［34］：f（r）=（ρ（r）N）V（r）=（δμδυ（r））N.（7）

Fukui函數(shù)是DFT結(jié)合Mulliken布局分析得出的，對(duì)于親電進(jìn)攻指數(shù)（f-k）和親核進(jìn)攻指數(shù)（f+k），第k個(gè)原子位置上的相應(yīng)Fukui函數(shù)可以通過(guò)以下等式來(lái)計(jì)算［32］：

f+k=qk（N+1）-qk（N），（8）

f-k=qk（N）-qk（N-1），（9）

式中，qk（N）是中性原子的凈電荷，qk（N+1）是陰離子的電荷量，qk（N-1）是陽(yáng)離子的電荷量.其中f+k數(shù)值越大，表示分子中某原子的得電子能力越強(qiáng)；f-k數(shù)值越大，表示分子中某原子的給電子能力越強(qiáng).通過(guò)計(jì)算得到的3種喹諾酮類緩蝕劑分子的Fukui指數(shù)如表3所示.

由表3數(shù)據(jù)可知，3種喹諾酮類衍生物中f+k數(shù)值大的原子基本相同，其中，O（14）、C（8）、C（4）、C（5）、C（9）、C（2）、N（10）這7個(gè)原子均位于喹諾酮，且3種分子中f+k數(shù)值大的前5個(gè)原子也是位于喹諾酮，說(shuō)明3種分子中喹諾酮均是電子接受中心.另外，cip和nor的f-k數(shù)值大的前5個(gè)原子中有4個(gè)原子位于喹諾酮，N（16）位于哌嗪環(huán)，這說(shuō)明二者提供電子的部分來(lái)自于喹諾酮和哌嗪環(huán).而lev的f-k數(shù)值大的前5個(gè)原子中有3個(gè)原子位于喹諾酮，N（16）位于哌嗪環(huán)，O（23）位于嗎啉環(huán)，這說(shuō)明其提供電子的部分來(lái)自于喹諾酮、哌嗪環(huán)和嗎啉環(huán).

結(jié)合f+k數(shù)值和f-k數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，3種分子的喹諾酮既是供電子中心也是吸電子中心.由于同時(shí)受到哌嗪環(huán)和羧基的影響，3種緩蝕劑分子與金屬吸附時(shí)形成多吸附中心，這是3種喹諾酮類衍生物緩蝕劑在酸化介質(zhì)中緩蝕效果優(yōu)良的重要原因之一.

2.4" 吸附構(gòu)型和相互作用能

利用分子動(dòng)力學(xué)模擬3種緩蝕劑在1 mol/L鹽酸溶液中與Fe（110）表面的吸附情況，結(jié)果如表4所示.3種喹諾酮類衍生物與Fe（110）表面的相互作用能如表5所示.

由表4可知，在0 ps時(shí)，3種緩蝕劑均垂直于Fe（110）表面，分子中的羧基部分離Fe（110）表面比較近且存在一段距離.經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，緩蝕劑分子的羧基開(kāi)始靠近Fe表面，由于緩蝕劑分子距離Fe表面的初始距離不一致，故不討論此處所用時(shí)間長(zhǎng)短.在620 ps時(shí)，cip平行吸附在Fe（110）表面；nor分子的其他部分在485 ps時(shí)平行于Fe（110）表面，到1 705 ps時(shí)，分子的C（23）與相應(yīng)氫原子也平行于Fe（110）表面；lev分子在855 ps時(shí)平行于Fe（110）表面.忽略nor中C（23）的吸附問(wèn)題，可以發(fā)現(xiàn)，從緩蝕劑分子接觸到Fe（110）表面到最終平行吸附所用時(shí)間從短到長(zhǎng)依次為：cip，nor，lev.這可能是因?yàn)閘ev的分子體積較大，同時(shí)給電子能力最弱，反應(yīng)活性最小所致，這也是文獻(xiàn)［15］中3種緩蝕效率差異的原因之一.

表5中3種緩蝕劑分子與Fe（110）表面的相互作用能由大到小依次為：lev，cip，nor，說(shuō)明lev與Fe（110）表面的吸附強(qiáng)度是最大的.從表4中3種緩蝕劑的平衡吸附構(gòu)型可以看出，lev的兩端距離Fe（110）表面比中間要近，這可能是因?yàn)榕c其他兩種緩蝕劑相比，lev的嗎啉環(huán)與喹諾酮存在共用原子情況，嗎啉環(huán)上原子無(wú)法完全共平面，造成lev的中間部分在吸附時(shí)相對(duì)凸起，可能會(huì)對(duì)lev在金屬表面的吸附造成不利影響［35］，這也解釋了相互作用能與其實(shí)際緩蝕效率不一致的原因.

2.5" 徑向分布函數(shù)（RDF）

RDF是指在確定中心原子的位置后，另一個(gè)粒子在空間中分布的概率，常用g（r）來(lái)表示.通過(guò)RDF分析可以確定金屬表面與緩蝕劑之間的相互作用［36-37］.動(dòng)力學(xué)吸附平衡后，通過(guò)RDF來(lái)分析喹諾酮上的N（10）原子與金屬Fe原子之間的距離（圖3）.通常，RDF圖中第一個(gè)峰對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)數(shù)值是N（10）原子與金屬Fe原子之間最可能的距離［22］，通過(guò)這個(gè)距離可以判斷緩蝕劑分子在金屬表面的吸附情況.

從圖3可知，喹諾酮類衍生物與Fe（110）表面的距離由近及遠(yuǎn)依次為：nor，cip，lev.其中nor和cip與Fe（110）表面的吸附距離極為接近，但二者都比lev近很多.RDF數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明了lev分子中嗎啉環(huán)的所有原子無(wú)法共平面，因此，吸附時(shí)lev的吸附距離會(huì)比其他兩種大，這也是lev緩蝕效率低于cip和nor的原因之一.

3" 結(jié)" 論

本文利用DFT研究了喹諾酮類衍生物的前線軌道分布、全局反應(yīng)活性和局部反應(yīng)活性.同時(shí)，使用MD模擬它們?cè)? mol/L鹽酸溶液中與Fe（110）表面的吸附行為.結(jié)果表明，3種喹諾酮類衍生物分子的HOMO軌道與LUMO軌道的分布會(huì)讓喹諾酮類衍生物在吸附時(shí)形成多吸附中心；Fukui函數(shù)進(jìn)一步指明了親電中心和親核中心的具體原子，3種喹諾酮類衍生物中的喹諾酮既是供電子中心也是吸電子中心，同時(shí)受到哌嗪環(huán)和羧基的影響，3種緩蝕劑分子與金屬吸附時(shí)形成多吸附中心，促使3種緩蝕劑在酸化介質(zhì)中對(duì)鋼材緩蝕效果優(yōu)良.緩蝕劑分子從接觸Fe（110）表面到最終平行吸附，所用時(shí)間由短到長(zhǎng)依次為：cip，nor，lev.3種緩蝕劑分子與Fe（110）表面的相互作用能由大到小為：lev，cip，nor.lev的相互作用能大，但其喹諾酮與嗎啉環(huán)存在共用原子，導(dǎo)致嗎啉環(huán)的所用原子無(wú)法共平面，中間部分在吸附時(shí)凸起，對(duì)lev在金屬表面的吸附造成了不利影響.RDF數(shù)據(jù)表明在平衡吸附時(shí)喹諾酮類衍生物與Fe（110）表面的距離由近到遠(yuǎn)依次為：nor，cip，lev，進(jìn)一步證明了lev分子中嗎啉環(huán)的所有原子無(wú)法共平面，故吸附時(shí)，lev的吸附距離會(huì)比其他兩種大，這是導(dǎo)致其緩蝕效率低的原因之一.

本文研究結(jié)果表明，基于密度泛函計(jì)算及分子動(dòng)力學(xué)優(yōu)選緩蝕劑及研究緩蝕微觀作用機(jī)理具有一定可行性，可以先用此法優(yōu)選評(píng)估緩蝕劑，然后少量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證即可，為緩蝕劑的優(yōu)選及性能評(píng)估提供了一種新的途徑.

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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Molecular simulation of corrosion inhibition mechanism of quinolone derivatives in hydrochloric acid medium

Ding Ling1a，b， Chen Wu1a，b， Feng Xiaojun2， Lai Lu1a，b， Wu Da3， Zhang Zheng1a，b

（1. a. School of Chemical and Environmental Engineering; b. Key HSE Laboratory of PetroChina， Yangtze University， Jingzhou 434023， China;

2. School of Water Resources and Environment， China University of Geosciences（Beijing）， Beijing 100083， China;

3. College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum（Huadong）， Qingdao 266580， China）

Abstract： Density functional theory（DFT） and molecular dynamics simulation（MD） were used to investigate the frontier orbital distribution， global reactivity and local reactivity of three quinolone derivatives as well as to simulate their adsorption behavior on Fe（110） surface in 1 mol/L hydrochloric acid solution. The results show that the HOMO orbitals of the three quinolone derivatives are on the quinolone and piperazine rings， while the LUMO orbitals are on the quinolone and carboxyl groups， and this distribution will allow the quinolone derivatives to form multiple adsorption centers during adsorption. The study of global activity parameters reveals that the reactivity decreases in the following order：ciprofloxacin， norfloxacin， levofloxacin. The radial distribution function（RDF） reveals that the distance between quinolone derivatives and the surface of Fe（110） during equilibrium adsorption increases in the order of norfloxacin， ciprofloxacin， levofloxacin. The simulation results of DFT and MD can well reveal the corrosion inhibition behavior and mechanism of three quinolone derivatives in acidizing media， indicating that it is feasible for DFT and MD to optimize corrosion inhibitors and study the partial mechanism of corrosion inhibition.

Keywords： quinolone; corrosion inhibitors; density functional theory; molecular dynamics simulation

［責(zé)任編校" 趙曉華" 陳留院］