地质体中烃类芳构化及其氢同位素分馏机理获揭示

中国 科学院 广州地球化学研究所研究员廖泽文团队成员、副研究员程斌在国家自然科学基金和多圈层作用油气富集理论等项目的共同资助下，开展了系列的烃类芳构化及其氢同位素分馏机理的实验研究，并揭示了地质体中烃类芳构化及其氢同位素分馏机理。相关成果近日发表于《有机地球化学》（ Organic Geochemistry ）。

芳烃化合物广泛分布在烃源岩、石油、煤以及现代沉积物等沉积有机质中。由于该类化合物具有生物毒性而难以在活体生物内广泛合成，沉积有机质中的芳烃化合物被认为主要来自于烃类芳构化过程。该过程涉及到烃类化合物的环化、芳构化脱氢等反应，导致反应产物的氢同位素发生分馏。目前，针对沉积有机质中烃类芳构化过程中的氢同位素分馏效应与分馏机理仍然不够清楚。

针对这一问题，研究人员开展了系列的烃类芳构化及其氢同位素分馏机理的实验研究。前期阶段，研究团队开展了单环芳烃芳构化热模拟实验，揭示了快速的芳构化过程可导致甲苯强烈富集 ² H。

记者获悉，研究团队利用正丁基十氢化萘开展了二环芳烃的芳构化过程及其氢同位素分馏的实验研究，结果显示，萘和1-甲基萘含量随着芳构化程度的增大而增加，单质硫的加入促进了烃类芳构化过程与芳烃化合物的形成。实验产物中的高环数芳烃相对于低环数芳烃更加富集 ² H，但当烃类芳构化程度超过一定范围时，芳烃的 ² H富集程度逐渐降低，甚至出现高环数芳烃相对于低环数芳烃更加亏损 ² H的现象。

正丁基十氢化萘通过氢转移产生自由基，这些自由基经历C-C键β-断裂，形成萘烷和甲基萘烷的自由基；这两种自由基通过系列的C-H键β-断裂脱氢（-H）反应，最终形成萘和甲基萘。在这些芳构化脱氢反应的过程中，由于脂肪环上 ² H–C– ¹ H中的C- ¹ H键优先断裂，导致芳烃产物富集 ² H且高环芳烃比低环芳烃更加富集 ² H；随着芳构化程度的加深，脂肪环上 ² H–C– ¹ H结构逐渐消耗，此时 ¹ H–C– ¹ H中的C- ¹ H键开始大量裂解，形成亏损 ² H的芳烃化合物，导致芳烃产物富集 ² H的程度降低，甚至出现低环芳烃比高环芳烃更加富集 ² H的情况。

上述研究结果对于深入理解沉积有机质中烃类芳构化过程中的氢同位素分馏效应与分馏机理及深层油气的演化具有重要的理论意义。（来源：中国科学报 朱汉斌）

相关论文信息： https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2024.104881