中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所研究員廖澤文團(tuán)隊(duì)成員、副研究員程斌在國家自然科學(xué)基金和多圈層作用油氣富集理論等項(xiàng)目的共同資助下，開展了系列的烴類芳構(gòu)化及其氫同位素分餾機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究，并揭示了地質(zhì)體中烴類芳構(gòu)化及其氫同位素分餾機(jī)理。相關(guān)成果近日發(fā)表于《有機(jī)地球化學(xué)》（Organic Geochemistry）。

芳烴化合物廣泛分布在烴源巖、石油、煤以及現(xiàn)代沉積物等沉積有機(jī)質(zhì)中。由于該類化合物具有生物毒性而難以在活體生物內(nèi)廣泛合成，沉積有機(jī)質(zhì)中的芳烴化合物被認(rèn)為主要來自于烴類芳構(gòu)化過程。該過程涉及到烴類化合物的環(huán)化、芳構(gòu)化脫氫等反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物的氫同位素發(fā)生分餾。目前，針對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)中烴類芳構(gòu)化過程中的氫同位素分餾效應(yīng)與分餾機(jī)理仍然不夠清楚。

針對(duì)這一問題，研究人員開展了系列的烴類芳構(gòu)化及其氫同位素分餾機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究。前期階段，研究團(tuán)隊(duì)開展了單環(huán)芳烴芳構(gòu)化熱模擬實(shí)驗(yàn)，揭示了快速的芳構(gòu)化過程可導(dǎo)致甲苯強(qiáng)烈富集²H。

記者獲悉，研究團(tuán)隊(duì)利用正丁基十氫化萘開展了二環(huán)芳烴的芳構(gòu)化過程及其氫同位素分餾的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，萘和1-甲基萘含量隨著芳構(gòu)化程度的增大而增加，單質(zhì)硫的加入促進(jìn)了烴類芳構(gòu)化過程與芳烴化合物的形成。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物中的高環(huán)數(shù)芳烴相對(duì)于低環(huán)數(shù)芳烴更加富集²H，但當(dāng)烴類芳構(gòu)化程度超過一定范圍時(shí)，芳烴的²H富集程度逐漸降低，甚至出現(xiàn)高環(huán)數(shù)芳烴相對(duì)于低環(huán)數(shù)芳烴更加虧損²H的現(xiàn)象。

正丁基十氫化萘通過氫轉(zhuǎn)移產(chǎn)生自由基，這些自由基經(jīng)歷C-C鍵β-斷裂，形成萘烷和甲基萘烷的自由基；這兩種自由基通過系列的C-H鍵β-斷裂脫氫（-H）反應(yīng)，最終形成萘和甲基萘。在這些芳構(gòu)化脫氫反應(yīng)的過程中，由于脂肪環(huán)上²H–C–¹H中的C-¹H鍵優(yōu)先斷裂，導(dǎo)致芳烴產(chǎn)物富集²H且高環(huán)芳烴比低環(huán)芳烴更加富集²H；隨著芳構(gòu)化程度的加深，脂肪環(huán)上²H–C–¹H結(jié)構(gòu)逐漸消耗，此時(shí)¹H–C–¹H中的C-¹H鍵開始大量裂解，形成虧損²H的芳烴化合物，導(dǎo)致芳烴產(chǎn)物富集²H的程度降低，甚至出現(xiàn)低環(huán)芳烴比高環(huán)芳烴更加富集²H的情況。

上述研究結(jié)果對(duì)于深入理解沉積有機(jī)質(zhì)中烴類芳構(gòu)化過程中的氫同位素分餾效應(yīng)與分餾機(jī)理及深層油氣的演化具有重要的理論意義。

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