СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ИНГИБИТОРА КОРРОЗИИ МАРКИ GBD НА ОСНОВЕ ИК- И ЯМР-СПЕКТРОСКОПИИ, А ТАКЖЕ ЕГО АНТИКОРРОЗИОННАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

УДК 620.193+543.422+544.723

Аннотация

Целью работы являлось получение водорастворимого ингибитора коррозии марки GBD на основе бор- и азотсодержащих органических соединений, установление его строения спектроскопическими методами и оценка антикоррозионной эффективности в водной среде. Синтезированное соединение исследовали методами ИК-, ¹H ЯМР- и ¹³C ЯМР-спектроскопии. По данным ИК-спектра выявлены полосы, соответствующие валентным колебаниям связей B–O–C, B–O и C–N, что подтверждает формирование борорганической аминокомплексной структуры. ЯМР-спектры показали наличие фрагментов молекулы, находящихся в окружении гетероатомов O, N и B, и согласуются с предполагаемым строением ингибитора. Коррозионную стойкость оценивали гравиметрическим методом по ГОСТ 9.506 – 87 на стальных образцах в водной среде при концентрациях 0,3–1 %. Установлено, что эффективность защиты возрастает с увеличением концентрации ингибитора и составляет 92,83 %, 93,69 % и 94,21 % соответственно. Полученные данные свидетельствуют о том, что синтезированное соединение активно адсорбируется на поверхности металла и формирует устойчивый защитный слой, существенно замедляющий коррозионный процесс. Таким образом, разработанный ингибитор представляет практический интерес как перспективное средство защиты стальных конструкций в водной среде.

Abstract

The aim of this study was to obtain a water-soluble GBD corrosion inhibitor based on boron- and nitrogen-containing organic compounds, to establish its structure by spectroscopic methods, and to evaluate its anticorrosion performance in an aqueous medium. The synthesized compound was characterized by FTIR, ¹H NMR, and ¹³C NMR spectroscopy. FTIR analysis revealed absorption bands corresponding to the stretching vibrations of B–O–C, B–O, and C–N bonds, confirming the formation of a boron-organic amino complex. The NMR spectra indicated structural fragments located near the heteroatoms O, N, and B and were consistent with the proposed inhibitor structure. Corrosion resistance was evaluated by the gravimetric method in accordance with GOST 9.506 – 87 using steel specimens in an aqueous medium at inhibitor concentrations of 0.3–1 %. It was found that the protective efficiency increased with concentration and reached 92.83 %, 93.69 %, and 94.21 %, respectively. The results show that the synthesized compound adsorbs effectively on the metal surface and forms a stable protective layer that significantly slows down the corrosion process. Thus, the developed inhibitor is of practical interest as a promising protective agent for steel structures in aqueous environments.

Ключевые слова: ингибитор коррозии; борорганические аминосоединения; ингибитор GBD; водная среда; гравиметрический метод; скорость коррозии; степень защиты; ИК-спектроскопия; ЯМР-анализ; адсорбционный защитный слой; коррозия металлов.

Keywords: corrosion inhibitor; boron-organic amino compounds; GBD inhibitor; aqueous medium; gravimetric method; corrosion rate; degree of protection; FTIR spectroscopy; NMR analysis; adsorption protective layer; metal corrosion.

Введение

Настоящее время коррозия металлов является одной из основных технологических проблем промышленности. В мировом масштабе экономический ущерб, возникающий вследствие коррозии, составляет значительную часть валового внутреннего продукта. Особенно в нефтегазовой, химической, энергетической и металлургической промышленности коррозия сокращает срок службы оборудования и приводит к значительным экономическим потерям [6]. В условиях рыночной экономики повышение эффективности производства, экономия энергетических и сырьевых ресурсов, а также снижение себестоимости продукции являются одними из актуальных задач. В связи с этим разработка современных и эффективных методов защиты металлических конструкций от коррозии приобретает важное научно-практическое значение [1]. Одним из наиболее эффективных способов повышения коррозионной стойкости металлов является применение ингибиторов коррозии. Ингибиторы коррозии образуют на поверхности металла адсорбционный или защитный слой, уменьшая непосредственное воздействие агрессивной среды на металл [9]. В последние годы значительно возрос интерес к органическим ингибиторам коррозии. В результате исследований установлено, что органические соединения, содержащие атомы азота, кислорода, серы и фосфора, проявляют высокие ингибирующие свойства [4]. Эти донорные атомы образуют координационные связи с поверхностью металла, повышая защитную эффективность. Согласно литературным данным, амины, спирты и их комплексные производные играют важную роль в замедлении коррозионных процессов [10]. В частности, комплексные соединения, содержащие несколько функциональных групп, прочно адсорбируются на поверхности металла, снижая воздействие агрессивных ионов. Борсодержащие органические соединения также относятся к числу перспективных веществ в качестве ингибиторов коррозии. Электронная недостаточность атома бора обеспечивает возможность образования координационных связей с донорными атомами, в результате чего формируются устойчивые комплексные системы [8]. В литературе борорганические комплексные соединения характеризуются высокой термической стабильностью, хорошей растворимостью в воде и способностью образовывать защитный слой на поверхности металла [7]. По этой причине подобные вещества широко применяются в качестве эффективных ингибиторов коррозии в кислых и солевых средах. Эффективность ингибиторов коррозии зависит от их молекулярного строения, количества функциональных групп и адсорбционной способности. Исследования показывают, что увеличение числа донорных атомов в молекуле значительно повышает защитную эффективность [5]. Современные обзоры также подтверждают, что органические и экологически безопасные ингибиторы остаются одним из наиболее перспективных направлений коррозионной защиты благодаря участию гетероатомов и π-сопряжённых систем в процессе адсорбции на металлической поверхности [3,2]. Целью исследования является получение водорастворимого ингибитора коррозии марки GBD на основе бор- и азотсодержащих органических соединений, исследование его структурных характеристик спектроскопическими методами, а также определение эффективности защиты стальных образцов в водной среде.

Методология исследований: В ходе исследования был синтезирован ингибитор коррозии марки GBD на основе органических соединений, содержащих бор и азот. Химическая структура синтезированного вещества была установлена методами инфракрасной спектроскопии (ИК), ¹H ЯМР и ¹³C ЯМР с последующим анализом основных функциональных групп. Антикоррозионная эффективность оценивалась в водной среде на стальных образцах гравиметрическим методом в соответствии со стандартом ГОСТ 9.506 – 87. В испытаниях применялись растворы ингибитора различных концентраций (0,3–1 %), при этом определялись скорость коррозии образцов, степень защиты и потеря массы.

Результаты и их обсуждение. В данной работе был осуществлён синтез водорастворимого ингибитора коррозии марки GBD на основе органических соединений, содержащих азот и бор. Были исследованы ИК-спектры, ¹H ЯМР и ¹³C ЯМР полученных азот- и борсодержащих органических соединений, а также их влияние на процессы коррозии при добавлении в водную среду. Структура борорганического аминокомплексного соединения была изучена методом инфракрасной (ИК) спектроскопии. В ИК-спектре синтезированного продукта наблюдалась широкая полоса поглощения в области 3275,13 см⁻¹. Данное поглощение относится к валентным колебаниям водородносвязанных –OH-групп и –NH-фрагментов молекулы. Полоса при 2865,96 см⁻¹ объясняется валентными колебаниями связи C–H алифатических групп –CH₂–. Полосы поглощения при 1629,86 см⁻¹ и 1450,47 см⁻¹ связаны с колебаниями связи C–N. Диапазон спектра 1100–900 см⁻¹ является наиболее важной диагностической областью для синтезированного продукта. Интенсивные полосы поглощения при 1027,70 и 939,33 см⁻¹ относятся к валентным колебаниям связей B–O–C и B–O, что подтверждает образование химической связи между боратным центром и гидроксильными фрагментами.

Рисунок 1. ИК-спектр борорганического аминокомплексного соединения (4000–500 см⁻¹)

Структура борорганического аминокомплексного соединения была исследована методами ¹H и ¹³C ЯМР-спектроскопии. В ¹H ЯМР-спектре основные сигналы протонов наблюдаются в диапазоне δ 3.80–3.12 м.д. Данная область сигналов указывает на наличие в молекуле протонов, расположенных вблизи гетероатомов (O, N, B). Сигналы при δ 3.80–3.65 м.д. относятся к протонам групп –CH₂–, расположенных рядом с атомами кислорода и азота. Сигналы в области δ 3.60–3.45 м.д. соответствуют протонам –CHO– и координированных групп –CH₂–. Интенсивный сигнал при δ ≈ 3.12 м.д. характерен для метиленовых протонов, связанных с атомом азота. Сигнал при δ 4.79 м.д. соответствует сигналу HOD в растворителе D₂O. Расположение всех протонных сигналов в области 3–4 м.д. свидетельствует о влиянии электроотрицательных атомов на протоны молекулы. Протоны OH и NH в спектре не наблюдаются вследствие их обмена с D₂O. Химические сдвиги, а также мультиплетный характер сигналов подтверждают образование координационно-связанного борорганического аминокомплекса.

Рисунок 2. ¹H ЯМР-спектр синтезированного борорганического аминокомплексного соединения

В ¹³C ЯМР-спектре основные сигналы наблюдаются в диапазоне δ 72–49 м.д. Эти значения свидетельствуют о том, что атомы углерода связаны с атомами кислорода и азота. Сигналы при δ 72–73 м.д. относятся к атомам углерода типа C–O, связанным с атомом кислорода. Сигналы в области δ 64–62 м.д. соответствуют углеродам групп –CH₂–O и –CHO–, находящихся под влиянием атомов кислорода и азота. Сигналы при δ 58–57 м.д. характерны для углеродов N–CH₂, расположенных вблизи атома азота. Сигнал при δ ≈ 49 м.д. относится к метиленовым углеродам координированной аминогруппы. Расположение всех углеродных сигналов в области 50–75 м.д. подтверждает, что атомы углерода в молекуле преимущественно связаны с гетероатомами O и N. Химические сдвиги соответствуют борорганической аминокомплексной структуре с образованием координационной связи при участии атома бора.

Рисунок 3. ¹³C ЯМР-спектр синтезированного борорганического аминокомплексного соединения

Полученные результаты ¹H и ¹³C ЯМР подтверждают успешный синтез водорастворимого ингибитора коррозии марки GBD на основе органических соединений, содержащих бор и азот. Спектральные данные научно обосновывают наличие в молекуле сложных борорганических аминокомплексных соединений, включающих функциональные группы на основе бор- и азотсодержащих органических соединений. Оценка эффективности ингибитора коррозии марки GBD в водной среде на основе гравиметрических испытаний (ГОСТ 9.506–87). В данном исследовании процесс коррозии стальных образцов в водной среде и защитная эффективность ингибитора коррозии марки GBD оценивались гравиметрическим методом в соответствии с требованиями ГОСТ 9.506 – 87. Данный стандарт входит в единую систему защиты от коррозии и предназначен для количественного и сравнительного определения эффективности ингибиторов, применяемых в водных средах. Установлено, что ингибитор коррозии марки GBD уже при концентрации 0,3 % обеспечивает степень защиты Z = 92,83 %, что свидетельствует о формировании практически сплошного адсорбционного слоя на поверхности металла. При увеличении концентрации до 0,5 % степень защиты составила Z = 93,69 %, а при 1 % достигла 94,21 %, что указывает на практически полное подавление коррозионного процесса.

Таблица 1. Определение процесса коррозии в водной среде с использованием ингибитора коррозии марки GBD по ГОСТ 9.506–87.

Механизм действия синтезированного ингибитора коррозии марки GBD на основе органических соединений, содержащих бор и азот, объясняется образованием адсорбционного защитного слоя на поверхности металла. Атомы бора и азота, входящие в состав молекулы, вступают в координационное взаимодействие с поверхностью металла, блокируют активные центры поверхности и замедляют процесс коррозии. Согласно результатам гравиметрических испытаний (ГОСТ 9.506 – 87), ингибитор GBD продемонстрировал высокую защитную эффективность в водной среде: при концентрации 0,3 % степень защиты составила Z = 92,83 %, при 0,5 % — Z = 93,69 %, а при 1 % — Z = 94,21 %. Полученные результаты показывают, что ингибитор GBD образует на поверхности металла стабильную адсорбционную плёнку, эффективно защищающую металл от коррозионного процесса.

Заключение. По результатам исследования был успешно синтезирован водорастворимый ингибитор коррозии марки GBD на основе органических соединений, содержащих азот и бор. Спектральные исследования (ИК, ¹H ЯМР и ¹³C ЯМР) подтвердили наличие в составе синтезированного вещества борорганической аминокомплексной структуры. Результаты гравиметрических испытаний показали, что ингибитор GBD обладает высокой антикоррозионной эффективностью в водной среде, при этом максимальная степень защиты составила 94,21 %. Полученные результаты свидетельствуют о том, что синтезированное соединение образует на поверхности металла стабильный адсорбционный слой, эффективно подавляющий процесс коррозии.

Список литературы:

1. Ahmad Z. Principles of Corrosion Engineering and Corrosion Control. – Oxford: Butterworth-Heinemann, 2006. – 672 P.
2. Ahmed M.A., Amin S., Mohamed A.A. Current and emerging trends of inorganic, organic and eco-friendly corrosion inhibitors [Электронный ресурс]. // RSC Advances. URL: https://doi.org/. (дата обращения 15.06.2026)
3. Al-Amiery A.A., Isahak W.N.R.W., Al-Azzawi W.K. Al-Amiery A.A., Isahak W.N.R.W., Al-Azzawi W.K. Corrosion Inhibitors: Natural and Synthetic Organic Inhibitors [Электронный ресурс]. // Lubricants. URL: https://doi.org/. (дата обращения 15.06.2026)
4. Bentiss F., Traisnel M., Lagrenee M. The substituted 1,3,4-oxadiazoles: a new class of corrosion inhibitors for mild steel in acidic media // Corrosion Science. – 2000. – № 1. – P. 127–146.
5. Ebenso E.E. Corrosion inhibition studies of some plant extracts on aluminum in acidic medium // Materials Chemistry and Physics. – 2004. – № 1. – P. 58–70.
6. Fontana M.G. Corrosion Engineering. 3rd ed. – New York: McGraw-Hill, 1986. – 556 P.
7. Greenwood N.N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. 2nd ed. – Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997. – 1341 P.
8. Hall D.G. Boronic Acids: Preparation and Applications in Organic Synthesis and Medicine. 2nd ed. – Weinheim: Wiley-VCH, 2011. – 680 P.
9. Jones D.A. Principles and Prevention of Corrosion. 2nd ed. – New Jersey: Prentice Hall, 1996. – 572 P.
10. Quraishi M.A., Jamal D. Corrosion inhibition by fatty acid triazoles for oil well steel // Materials Chemistry and Physics. – 2001. – № 2. – P. 202–205.