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联苯是硫芴和氧芴的前身物质吗? 1

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根据模拟实验的结果显示,联苯可能是硫芴和氧芴的前身物质之一。联苯具有硫芴和氧芴的基本碳骨架,其两个苯环作为吸电子基团相互影响,使α位氢活化。电负性较强的硫或氧原子会进攻这两个位点,夺去氢原子并形成H2S和H2O。其他的硫原子或氧原子再进攻失去氢的α位,可以形成一个桥,将能够自由扭动的联苯分子转变为稳定的硫芴或氧芴分子。因此,硫芴和氧芴与芴之间并没有确定的相关性。

芴、硫芴(二苯并噻吩)和氧芴(二苯并呋喃)被称为“三芴”(TF),是有机地球化学家非常关注的芳烃化合物。作为假同系物,通过推断“三芴”总量比例来推断有机质沉积环境,正常还原环境下有机质中以芴和硫芴为主,强还原条件下以硫芴为主,而弱氧化弱还原条件下则以氧芴为主。然而,这个指标的基础是一个理论推测,即“三芴”来自共同的前身(生物)物质。

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图 1 联苯、硫芴和氧芴结构图

在研究硫对有机质的作用时发现,硫与正构烷烃共热(温度高于200℃)可生成联苯系列和硫芴系列化合物。这是在没有芴和近似结构化合物参与的条件下进行的。因此,推测硫芴可能与联苯有成因联系。联苯具有硫芴的基本框架(图1),两个苯环作为吸电子基团,相互影响对方使α位氢活化。电负性较强的硫原子进攻两个环上的α位,夺取氢原子形成硫化氢(H2S)。另一个硫原子再进攻失去氢的α位,可以形成一个桥,将可以自由扭动的联苯分子转变为稳固的硫芴分子。进一步推断,氧与硫属于同族元素,而且电负性更强,也应该能与联苯反应生成氧芴(图1)。为了验证这些推断,进行了专门的实验,结果证明这些推断是正确的。

1 实验

为了证明硫芴和氧芴源于联苯,将分析纯联苯分别与自己制备的元素硫、高纯氧气混合后封装在安瓿瓶中,在300℃温度下加热24小时。之后击碎安瓿瓶,在索氏抽提器中用氯仿抽提48小时。有大量氯仿不溶解物,氯仿抽提物经石油醚沉淀出不溶物(沥青质?)后,在硅胶/氧化铝(4∶1)色层柱上进一步分离,用二氯甲烷冲洗出芳烃馏份,用无水乙醇冲洗出非烃馏份。芳烃馏份样品进行色谱-质谱分析,本文仅对此进行报道。

2 结果与讨论

在两个样品的芳烃馏份中分别检测到硫芴和氧芴,而没有检测到芴(图2,3)。这表明,硫芴和氧芴各自的一个重要前身物质是联苯,与芴没有确定的相关性。这就提出了一个警示:如果原油存在高硫环境(如蒸发岩沉积储层)中或有游离氧存在的环境中(如地层水不断流经油藏),那么就会受到硫或氧的作用而大量生成硫芴或氧芴,这将从根本上改变“三芴”原始比例构成,显然不能指示沉积环境性质。因此,在利用“三芴”指标判识沉积环境时应慎重,多考虑一些影响因素。

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图 2 联苯加硫反应产物中芳烃馏份总离子流图和硫芴质谱图

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图 3 联苯加氧反应产物中芳烃馏份总离子流图和氧芴质谱图

           

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