МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НОВОСИБИРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ, НГУ) Факультет: ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ Кафедра: ГЕОЛОГИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА Направление подготовки: ГЕОЛОГИЯ Образовательная программа: ГЕОЛОГИЯ И ГЕОХИМИЯ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ КУРСОВАЯ РАБОТА Свиридова Дарья Михайловна Тема работы: Метод хромато-масс-спектрометрии в органической геохимии Выполнила: Свиридова Д.М 21504 Научный руководитель: д.г.-м.н. Каширцев В.А Новосибирск, 2020 Оглавление Введение ........................................................................................................................................ 2 Глава 1. Хроматомасс-спектрометрия, как метод изучения индивидуального состава углеводородов .............................................................................................................................. 4 Глава 2. Ионизация ..................................................................................................................... 6 Глава 3. Масс-анализаторы ...................................................................................................... 9 Глава 4. Идентификация индивидуальных углеводородов методом хромато-массспектрометрии ........................................................................................................................... 12 4.1. Алифатические углеводороды (н-алканы, изоалканы и изопренаны) ................ 12 4.2 Циклические углеводороды .......................................................................................... 14 4.4. Ароматические углеводороды...................................................................................... 23 Заключение ................................................................................................................................. 25 Список литературы .................................................................................................................. 27 1 Введение Изучение состава каустобиолитов: углей, горючих сланцев, нефтей, природных битумов и рассеянного органического вещества за последние 100 лет привело к созданию научной дисциплины – органической геохимии (или науки о строении и химической эволюции органических соединений в земной коре). Как отмечал профессор А.А. Петров: «по сути дела эта отрасль науки является логическим продолжением хорошо известной химии природных биологических соединений... (Она) использовала всю современную методологию своей предшественницы, т.е. молекулярный уровень исследований с определением не только структуры, но и пространственной конфигурации изучаемых молекул, а также все современные достижения аналитической и органической химии» [Петров, 1984, с. 3]. Одним из основоположников органической геохимии является Владимир Иванович Вернадский. На базе прочитанных им лекций в Сорбонне первоначально появилась книга «Очерки геохимии», написанная на французском, а затем и на русском языке. В книге на основании оптической активности нефтей и ряда их индивидуальных компонентов впервые научно обосновано биогенное происхождение углеводородных залежей в земной коре. Другим апологетом биогенного происхождения нефтей считается Альфред Э. Трейбс (1899-1983) – немецкий химик-органик, открывший металлопорфирины в нефти. Посвоему строению порфирины близки к хлорофиллам, ответственным за появление кислорода на в земной атмосферем [Каширцев, 2015]. Органическая геохимия связана с развитием целой серии физико-химических методов исследования, таких как: газовая и жидкостная хроматография, хромато-масс- спектрометрия с компьютерной обработкой данных, спектры ЯМР. Эти методы позволили разделять и индентифицировать индивидуальные соединения в сложнейших смесях [Петров, 1986; Лебедев, 2015]. Наиболее эффективным методом исследования состава и структур органических соединений является хромато-масс-спектрометрия. Её преимуществами являются информативность, высокая чувствительность и скорость определения. Начало истории этого метода принято считать выход в свет работы Дж.Дж. Томсона – «Rays of positive electricity», и до сегодняшнего дня этот метод не исчерпал себя в совершенствовании и до сих пор востребован специалистами. Для получения достоверного масс-спектра на массспектрометре достаточно 1 ppm вещества. 2 На сегодняшний день в нефтях обнаружено свыше 700 индивидуальных углеводородов состава С1-С40. Это сложные и очень разнообразные по составу молекулы, которые хранят информацию о соединениях, входящих в липидную основу древней живой материи: бактерий, водорослей и высших растений [Петров, 1986]. Академик И. М. Губкин в первой половине 20-го века придавал больше значение разгадке происхождения нефти, которая имеет не только научно-теоритический интерес, но и первостепенное практическое значение [Губкин, 1937]. 3 Глава 1. Хроматомасс-спектрометрия, как метод изучения индивидуального состава углеводородов Хромато-масс-спектрометрия позволяет разделять и идентифицировать индивидуальные соединения в сложнейших смесях органических веществ. Это метод сочетания газовой хроматографии с масс-спектрометрией (газовая хроматография – массспектрометрия или хромато-масс-спектрометрия). Основной принцип масс-спектрометрии заложен в регистрации масс-положительно заряженных молекулярных и фрагментных ионов, которые образуются при различных видах ионизации (электронным ударом, ионизация полем, химическая ионизация) органических соединений, вводимых в масс-спектрометр. Широко используется электронный удар при ионизации, так как он обычно обеспечивает всю необходимую спектральную информацию для опознавания органического соединения. При ионизации электронным ударом каждая молекула, элюирующаяся из газового хроматографа, бомбардируется электронами с образованием молекулярных ионов (М+). Этот молекулярный ион может подвергаться дальнейшей фрагментации или перегруппировке с образованием других ионов. Фрагментарные ионы – это электрически заряженные продукты диссоциации материнского иона. Ионы, образованные в масс-спектрометре магнитного или квадрапульного типа, анализируются соответственно отношением их массы к заряду (m/z). Во всех случаях положительные ионы определяются с использованием электронного усилителя. Приборы, которые используются в этом методе, называются масс-спектрометры или масс-спектрометрические детекторы. Это очень точные и чувствительные приборы, поскольку им достаточно всего 10-10-10-14 г определяемого компонента. По существу, все они представляют собой хроматограф с универсальным детектором, обладающим обширными возможностями идентификации и структурного анализа определяемых веществ. Первый хромато-масс-спектрометр с квадроупольным анализатором изобрёл профессор Стенфордского университета Robert Finnigan в 1967 году. Создание квадрупольных масс-анализаторов стало революцией в масс-спектрометрии и позволило ускорить и расширить целый ряд научных исследований [Лебедев, 2015]. Программное обеспечение позволяет выполнять различные операции над массспектрами: вычитание спектров (Spectrum subtraction), применяющееся для устранения фона, разделение спектров перекрывающихся компонентов; построение масс-спектров в нормализованном виде, а также сравние их с масс-спектрами аутентичных соединений, хранящимися в базе данных. В результате хромато-масс-спектрометрического анализа 4 обычно записывается хроматограмма анализируемой смеси по полному ионному току – TIC (Total ion current chromatogram). Компьютерный анализ данных позволяет получать на каждый элюирующийся пик индивидуальный масс-спектр, а также масс-фрагментограммы по наиболее интенсивным ионам, соответствующим характерному распаду молекул при электронной бомбардировке. Масс-спектрометрия измеряет массы, вернее, отношение массы к заряду (m/z). Для этого используются законы движения заряженных частиц материи в магнитном или электрическом поле. Объектами изучения являются реликтовые углеводороды, входящие в состав нефтей. Эти углеводороды тесно связаны с исходными биологическими молекулами и имеют гомологические ряды. Масс-спектрометры устанавливают, что за молекулы (то есть, какова их молекулярная масса и структура) и что за атомы (их изотопный состав) составляют соединение. Другими словами, идет работа непосредственно с частицами вещества, в отличии, например, от оптических или рентгенографических методов, где определяется излучение или поглощение энергии этими молекулами [Лебедев, 2015]. Принципиальная схема масс-cпектрометра, использующего распад молекул под действием электронного удара, показана на рис. 1. Рис. 1. Принципиальная схема строения масс-спектрометра 5 Глава 2. Ионизация Как уже отмечалось наиболее распространенным методом в современной массспектроскопии – это так называемый электронный удар или электронная ионизация (ЭУ, EI – electron impact). Электронный удар широко используется при ионизации, потому что он обычно обеспечивает всю необходимую спектральную информацию для идентификации органического соединения. Чтобы получить из органического вещества ионы – нужно из конденсированной фазы (жидкости или твёрдого тела) перевести вещество в газовую фазу, для этого нужно, например, нагреть его. Затем ионы подвергаются бомбардировке пучком электронов, который можно получить, нагревая, например, проволоку или пластину из Re или W (катод). Электроны, пролетая максимально близко к молекуле, ионизируют её и превращают в ионы. При этом для каждого класса соединений распад на ионы осуществляется по-собственному механизму [Лебедев, 2015]. Чтобы молекула высвободила свой электрон, необходима энергия свыше критического значения отрыва иона для этой молекулы – так называемая энергия ионизации (ЭИ или I). Поскольку каждая молекулярная или атомная орбиталь имеет свою собственную энергию – молекула имеет несколько значений ЭИ. В масс-спектрометрии под энергией ионизации подразумевается первый потенциал ионизации. Величина I в органических соединениях в основном входит в диапазон от 6 до 12 эВ. Если энергия электронов ниже ЭИ – ионизация невозможна и масс-спектр не будет получен [Лебедев, 2015]. При ионизации соединение получает избыточную внутреннюю энергию около 20 эВ. Эта избыточная энергия одинаково распределяется по всем связям, при этом, высвободившаяся энергия разрывает более слабые внутримолекулярные связи с образованием ионов. Минимальная энергия, при которой в масс-спектре виден полученный ион, называется энергией появления (ЭП) данного иона. Чем выше эта энергия, тем большее количество получается распадов. При этом даже маленькие изменения энергии ионизирующих электронов могут привести к довольно значительным изменениям в массспектре. Так, оптимальные условия получения спектра достигаются при энергиях электронов в 70 эВ, когда максимален выход ионного тока, минимален наклон кривой эффективности ионного тока, а также задействованы все возможные направления распада М+ . Если нужно увеличить интенсивность выхода молекулярного иона, то используют энергию 12-20 эВ. Стоит обратить внимание, что тогда растёт только относительная интенсивность пика М+ и пиков перегруппированных ионов по отношению к 6 интенсивности пиков высвободившихся ионов, тогда как абсолютная интенсивность всех пиков в спектре падает. Также происходит снижение информации о фрагментации иона. Важно подчеркнуть, что если пик молекулярного иона отсутствует в масс-спектре, полученном при энергии ионизирующих электронов 70 эВ, то его не будет и при меньшей энергии электронов. В таком случае говорят о нестабильности молекулярного иона данного соединения (рис. 2) [Лебедев, 2015]. Рис. 2. Масс-спектр электронного удара этилпропионата (молекулярная масса 102 Да) при энергиях ионизирующих электронов 70, 20 и 14 эВ. Поскольку давление в источнике ионов (рис. 3) в условиях ЭУ— 10-5-10-6 мм рт. ст., а образец можно нагревать до нескольких сотен градусов, в газовую фазу переходят многие органические соединения. В спектрах ЭУ многих веществ пик М+ имеет низкую интенсивность либо вообще отсутствует. Широкий разброс по энергиям ионизирующих электронов не позволяет с достаточной точностью определять характеристики молекул и ионов (энергии появления и ионизации). Это основные недостатки электронной ионизации, благодаря которым было найдено множество альтернативных методов ионизации. 7 Рис. 3. Принципиальная схема источника электронной ионизации Одной из таких альтернатив является ионизация в ионно-молекулярных реакциях, называемая химической ионизацией (ХИ, CI – Chemical Ionization). При этом способе источник ионов заполняется газом (например, метаном, изобутаном, аммиаком), который ионизуется все тем же электронным ударом, а молекулы интересующего нас вещества, попадая в источник, превращаются в ионы за счет взаимодействия с уже находящимися там заряженными ионами-реагентами или с «медленными» электронами. Такая ионизация в газовой фазе является «мягкой», то есть образовавшиеся ионы не разделяются на мелкие фрагменты, а появляются частицы чуть меньше, чем исходная молекула, или больше её за счёт присоединения других ионов: R + e- = R+ + 2eR + + M = M+ + R M+ = F1+ + N1 F+ = F2+ + N2 N1, N2 – нейтральные молекулы; R – реагент газ; R+ - ионы газа реагента; F1+, F2+ заряженные фрагменты. Этот метод даёт меньше информации о том, как устроена структура молекулы, зато с его помощью легче определить её молекулярную массу [Ааванъини, 2008]. 8 Глава 3. Масс-анализаторы После ионизации и переноса ионов аналит попадает в масс-анализатор. Ионы аналита анализируются при помощи электрического поля, в электростатическом секторе. Там они разделяются по порядку масс, откуда и название – масс-анализатор. Масс-анализаторы делятся на непрерывные и пульсовые. Разница между ними заключается в том, что в первые ионы поступают непрерывным потоком, а во вторые – порциями через определенные интервалы времени. К непрерывным относятся магнитный и квадроупольный массанализаторы. К пульсовым ионная ловушка и времяпролётный анализатор. В геохимических лабораториях, как правило используют квадроупольные масс анализаторы: одноквадрупольный (SQ) и трехквадрупольный (QQQ). Квадрупольный анализатор (или фильтр масс) представляет собой четыре стержня с округлым сечением, к которым попарно в противоположной полярности подается определенная комбинация постоянного и радиочастотного переменного напряжений. Ионы, влетающие параллельно оси этих стержней под небольшим напряжением (10-20 В) под действием электрического поля, попадают в гиперболическое поле и оно, в зависимости от соотношения их m/z и частоты, пропускается этим полем (если ион попадает в резонанс с радиочастотой квадроуполя) или не пропускается дальше. Первый хромато-масс-спектрометр Стенфордского с университета квадроупольным анализатором Robert в Finnigan 1967 изобрёл году. профессор Преимуществами квадроупольных масс-анализаторов являются небольшые размеры и себестоимость (рис. 4) [Хмельницкий, 1984]. 9 Рис. 4. Квадрупольный масс-анализатор: 1 и 2 — входное и выходное отверстия анализатора; 3 — траектории ионов; 4 — генератор высокочастотного напряжения. Принцип работы одноквадрупольного масс-анализатора (SQ): квадрупольный массанализатор осуществляет последовательное сканирование, пропуская в каждый момент времени только ионы с определенным отношенем m/z. Остальные ионы теряются. Получаемая информация – только исходный масс-спектр. Принцип работы трёквадрупольного масс-анализатора (QQQ): анализатор, состоящий из трёх квадруполей (Q1–Q3), Q1 – ионизация молекул, в Q2 происходит столконовение ионов с молекулами нейтрального газа и их фрагментациия, Q3 настроен на пропускание конкретного фрагментного иона с определенным соотношением m/z. В результате получаем соотношение конкретных масс с конкретным дочерним ионом (метод MS-MS или метод тандемной масс-спектрометрии). Обладая высокой чувствительностью, этот метод используется для количественного определения [Хмельницкий, 1984]. Мониторинг множественных реакций (MRM): ионы-предшественники с определенным соотношением m/z проходят в ячейку соударений. Фрагментные ионы образуются при столкновении с атомами азота. Q3 настроен на пропускание конкретного фрагментного иона с определенным соотношением m/z. Как и в MS-MS, обладая высокой чувствительностью, этот метод используется для количественного определения [Джонстон, 1975]. 10 Режим МС-МС со сканированием в полном диапазоне: Отличие режима сканирования в полном диапазоне от режима SRM/MRM состоит в осуществлении сканирования. Q3 сканирует последовательно, пропуская к детектору в каждый момент времени ионы только с определенным соотношением m/z. Образуется спектр дочерних ионов. По сравнению с SRM/MRM этот режим менее чувствительный [Джонстон, 1975]. 11 Глава 4. Идентификация индивидуальных углеводородов методом хромато-массспектрометрии 4.1. Алифатические углеводороды (н-алканы, изоалканы и изопренаны) н-Алканы – это предельные углеводороды, в строении которых имеются только простые (одинарные) связи и в структуре которых нет радикалов. Если преобладают пики нечётных н-алканов, то это говорит о незрелом ОВ. Используют индекс CPI (carbon preference index), который показывает соотношение между нечётными и чётными высокомолекулярными алканами: CPI= (Σн-С25,27,29,31,33) / (Σн-С26,28,30,32,34) + (Σн-С25,27,29,31,33) / (ΣН-С24,26,28,30,32) CPI >1,5 или 2 – незрелое ОВ (террегенное ОВ и нафтиды); CPI приблизительно равен 1 – зрелое ОВ и нафтиды. Преобладание в общем составе алканов С15-17 обычно свидетельствует о планктоноводорослевом исходном органическом веществе, С21-23 – о присутствии континентальной высшей растительности. На хроматограмме состав алканов определяются по характерным фрагментным ионам 57, 71, 85, 99 m/z (рис. 5, 6). Рис. 5. Масс-хроматограмма алифатических углеводородов. Схема фрагментации алканов и изоалканы при электронном ударе 12 Abundance Scan 2615 (20.027 min): 5310_SC.D 55000 57 50000 45000 40000 71 35000 30000 85 25000 20000 15000 10000 99 5000 113 127 141 155 169 183 197 0 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 211 220 231 210 230 220 240 240 m/z--> Рис. 6. Масс-спектр н-алкана С1 Разветвлённые алканы – это изомеры алканов, которые имеют алкильные группы, связанные с их центральными углеродными цепями. Изопреноидные алканы (изопренаны) соединения, открытие которых в природных ископаемых объектах способствовало становлению современной органической геохимии. Подробно такие важные для нефти углеводороды как пристан (2,6,10,14- тетраметилпентадекан) (рис. 7) и фитан (2,6,10,14-тетраметилгексадекан) описаны в работе [Петров, 1984]. Алифатические изопреноиды нефтей имеют как регулярные, так и нерегулярные углеродные цепи и число атомов углерода от девяти до сорока пяти. Без сомнения, ведущая роль принадлежит регулярным изопреноидам, имеющим характерное для полиизопрена строение основной углеродной цепи с фрагментами «голова к хвосту». A b und a nc e S c a n 2 6 4 1 (2 0 .1 7 6 m in ): 5 3 1 0 _ S C .D 140000 57 130000 71 120000 110000 100000 90000 80000 70000 60000 85 50000 40000 30000 113 99 20000 183 127 10000 141 155 169 197 0 60 80 100 120 140 160 180 200 211 225 220 m / z--> Рис. 7. Масс-спектр пристана (2,6,10,14-тетраметилпентадекана) 13 239 240 253 260 268 4.2 Циклические углеводороды Это предельные углеводороды с замкнутыми строением цепи (циклом или циклами). Циклоалканы могут иметь как один цикл (моно-), так и би-, три-, тетра- и т.д. Циклы между собой могут соединяться в конденсированном, мостиковом, сочленённом и изолированном виде. Но наиболее распространён конденсированный тип. Моноциклические по традиции (в отношении геохимии) разделяют на пятичленные и шестичленные циклы. Пятичленный цикл имеет меньшую термодинамическую устойчивость нежели циклогексан. хроматограммах циклогексаны и циклопентаны определяются по На характерным фрагментным ионам соответственно m/z 82, 83 (циклогексаны) (рис. 8), 68, 69 (циклопентаны) [Гордадзе и др. 2015]. Рис. 8. Масс-хроматограмма распределения алкилциклогексанов (m/z 82, 83) и н-алканов (m/z 57) и схема их фрагментации при элекронном ударе Бициклические углеводороды (декалины) не имеют большого распространения в нефтях. По типу взаимного расположения циклических группировок бициклические углеводороды могут быть разбиты на углеводороды мостикового (I), конденсированного (II), сочлененного (III) и изолированного (IV) типов строения. Сесквитерпаны С14-С16 относятся к декалинам (бииклическим углеводородам), их структуры носят реликтовый характер. Сочленение колец только транс (рис. 9) [Гордадзе и др. 2015]. 14 Рис. 9. Масс-фрагментограммы сесквитерпанов (m/z 123, 179, 193, 203) байкальской нефти (Каширцев и д.р, 2006 г) Триметилциклогексаны с изопреноидной цепью (циклогексаны каротиноидного типа строения) С10-С21 были найдены в месторождении Каражанбас и имеют реликтовую структуру. Эти углеводороды принадлежат к гомологам 1,1,3-триметил-2- алкилциклогексана. Судя по масс-спектрам, эти углеводороды имеют связанный с четвертичным атомом углерода длинный алифатический радикал, при отрыве которого образуется интенсивный фрагментарный ион с m/z 125 (рис. 10) [Гордадзе и др. 2015]. 15 Рис. 10. Структура 1, 1, 3-триметил-2-алкилциклогексана и схема возможной фрагментации Трициклические нафтены. Трициклические углеводороды нефтей в зависимости от взаимного расположения колец могут быть разделены на три основные группы углеводородов: с конденсированной системой колец, мостикового типа строения, смешанного типа строения, т.е. углеводороды, где имеется как мостиковый, так и конденсированный тип сочленения колец [Гордадзе и др. 2015]. Наиболее популярными являются хейлантаны (углеводороды серии пентаметилалкилпергидрофенантренов). Они являются реликтовыми углеводородами. Среди изомеров практически отсутствуют С22, С27, С32, С37 и С42. Углеводороды состава С25 и выше, благодаря тому, что атом С22 становится хиральным, элюируются на массхроматограммах в виде двух диастереомеров: 22S и 22R (рис. 11) [Лебедев, 2015]. Рис. 11. Трициклическая структура (хейлантан) с возможной фрагментацией у атомов углерода с тройной координацией в алкильном радикале Тетрациклические углеводороды (стераны), имеющая структуру циклопентанпергидрофенантрена, также как и хейлантаны являются реликтовыми углеводородами. Они представляют наиболее широкий класс биомаркёров для реконструкции исходного органического вещества (планктона, водорослей и др.), его 16 постседиментационных и катагенетических преобразований. Наличие у стеранов хиральных атомв углерода у С-5, С-14, С-17, С-24 способствует появлению эпимеризации. Основной фрагментный распад идёт в месте сочленения циклопентанового кольца с циклогексановым. Стераны бывают регулярными (α- и β стераны) и перегруппированными (рис. 12, табл. 1) [Гордадзе и др., 2015]. Регулярные стераны в свою очередь подразделяются на α-стераны (биологические) и β-стераны (геологические). У биологических стеранов хорошо проявлен ион 217 m/z (5αН, 14αН, R- и S-эпимеры), а у геологических ион 218 m/z (5αН, 14βН, R- и S-эпимеры). Перегрупированные стераны (структурно измененные) стераны имеют иную структуру, образующуюся вследствие карбоний-ионной перегруппировки стеренов. Происходит миграция метильных групп от С-10 к С-5 и от С-13 к С-14. То есть пики m/z 217 или 218 у них проявлены незначительно, а ион 259 m/z выделяется довольно хорошо [Вулъфсон, 1986]. Рис. 12. Масс-хроматограмма распределения стеранов (m/z 217, 218). Идентификация углеводородов в таблице 1. 17 Таблица 1 Идентификация стеранов на масс-хроматограмме m/z 217 Пик Эмпирич. Молекулярный N формула Название структуры вес 1 С27Н48 372 13(Н),17(Н)-диахолестан (20S) 2 С27Н48 372 13(Н),17(Н)-диахолестан (20R) 3 С27Н48 372 13(Н),17(Н)-диахолестан (20R) + С28Н50 386 13(Н),17(Н)-24-метилдиахолестан (20S) 4 С28Н50 386 13(Н),17(Н)-24-метилдиахолестан (20R) 5 C27H48 372 5(H),14(H),17(Н)-холестан (20S) 6 C27H48 372 5(H),14(H),17(Н)- холестан (20R) + С29Н52 400 13(Н),17(Н)-24-этилдиахолестан (20S) 7 C27H48 372 5(H),14(H),17(Н)-холестан (20S) 8 C27H48 372 5(H),14(H),17(Н)-холестан (20R) 9 C29H52 400 13(Н),17(Н)-24-этилдиахолестан (20R) 10 С29H52 400 нерегулярный стеран С29 11 C28H50 386 5(H),14(H),17(H)-24-метилхолестан (20S) 12 C28H50 386 5(H),14(H),17(H)-24-метилхолестан (20R) 13 C28H50 386 5(H),14(H),17(H)-24-метилхолестан (20S) 14 C30H54 414 13(Н),17(Н)-24-пропилдиахолестан (20R) 15 C28H50 386 5(H),14(H),17(H)-24-метилхолестан (20R) 16 C29H52 400 5(H),14(H),17(H)-24-этилхолестан (20S) 17 C29H52 400 5(H),14(H),17(H)-24-этилхолестан (20R) 18 C29H52 400 5(H),14(H),17(H)-24-этилхолестан (20S) 19 C29H52 400 5(H),14(H),17(H)-24-этилхолестан (20R) 18 Пентациклические соединения (гопаны) также имеют большое значение для органической геохимии. Они служат биомаркёрами, сохранившими структуру (но не пространственное строение), свойственную исходным природным соединениям, главным образом мембран бактерий. В основе большинства этих углеводородов лежат структуры пергидропицена и циклопентанопергидрохризена. В зависимости от катагенетической зрелости выделяются гопаны: биологический 17βН21βН и геологический 17αН21βН. Биологический гопан термодинамически неустойчив. Эпимеризация у хирального центра С-17 позволяет трансформировать биогопан в геогопан. Как правило, на хроматограмме рассматривают серию гомологов состава С27-С35 (рис. 14) [Вулъфсон, 1986]. Рис. 14. Масс-хроматограмма распределения терпанов (m/z 191). Идентификация углеводородов приведена в таблице 2. 19 Таблица 2 Терпановые углеводороды на масс-хроматограмме по m/z 191 20 4.3 Масс-спектральный распад углеводородов алмазоподобного строения Адамантан – трицикличесий мостиковый углеводород, молекула которого состоит из трёх циклогексановых колец; структура адамантана похожа на структуру алмаза, от чего и получил название «адамантан», что с греческого значит «adamas» – алмаз (рис. 15) [Гируц, 2015]. Рис. 15. Структура адамантана и алмаза Фрагментация адамантана под воздействием электронного удара в силу высокой симметрии и устойчивости напоминает распад ароматических углеводородов. Основной пик масс-спектра адамантана соответствует его массе m/z 136 (рис. 16). Масс-спектры 1- и 2-монозамещённых лкиладамантанов характеризуются значительно меньшей по сравнению с масс-спектром адамантана интенсивностью молекулярного иона (рис. 17). Основные ионы в спектрах возникают в результате отщепления углеводородного радикала от молекулярного иона вследствие гомолитического расщепления связи адамантан-радикал (рис. 18, табл. 3) [Гируц, 2015]. Abundance Scan 5449 (32.330 min): 180-260_ПРЯМ.D 150000 136 140000 130000 120000 110000 100000 90000 80000 70000 93 79 60000 50000 40000 67 30000 41 20000 121 107 55 10000 85 0 30 40 50 60 70 80 115 90 100 110 m/z--> Рис. 16. Масс-спектр адамантана 21 152 127 120 130 140 150 166 160 170 Abundance Scan 5844 (34.653 min): 180-260_ПРЯМ.D 135 280000 260000 240000 220000 200000 180000 160000 140000 120000 100000 80000 93 60000 79 40000 41 20000 150 107 67 55 115 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 123 120 166 130 140 150 160 m/z--> Рис. 17. Масс-спектр 1-метиладамантана (пик 2 на рис. 18) Рис. 18. Масс-хроматограмма m/z 136+135+149+163+177 фракции 180-260°С месторождения Русское 22 170 Таблица 3 Идентификация адамантановых углеводородов № пика 1 2 3 Название УВ № пика Адамантан Название УВ 1,3,4-триметиладамантан цис 1-метиладамантан 1,3-диметиладамантан 11 12 13 4 5 1,3,5- триметиладамантан 1,3-диметиладамантан1,31,3,5,7-тетраметиладамантан диметиладамантан 14 15 1-этиладамантан 3-метил-1-этил-адамантан 6 7 2-метиладамантан 1,4-диметиладамантан цис 16 17 2,4-диметиладамантан цис 2,4-диметиладамантан транс 8 9 1,4-диметиладамантан транс 1,3,6- триметиладамантан 18 19 1-этил-3,5-диметиладамантан 1,2,6-триметиладамантан 10 1,2-диметиладамантан 20 2-этиладамантан 1,2,3,5-тетраметиладамантан 21 1,3,4-триметиладамантан транс 1,3,5,6- тетраметиладамантан 4.4. Ароматические углеводороды Ароматические углеводороды (УВ) в основном не являются биомаркерами ископаемого органического вещества и лишь состав некоторых ароматических стероидов и терпеноидов, образующихся при диагенезе за счет циклизации и дегидрирования биологических соединений, представляет также возможность реконструировать их биологических предшественников [Peters et al., 2005]. Ароматические углеводороды в нефтях уступают по содержанию алканам и цикланам, в среднем, во фракции нефти до 200 °С от 5 до 25 %. В керосино-газойлевой части нефти (фракция 200-350 °С) присутствуют нафталин, фенантрены и их ближайшие гомологи. Содержание ароматических углеводородов в керосино-газойлевых фракциях всегда несколько выше, чем в бензиновых фракциях той же нефти; около 15-35 %. В высококипящих фракциях нефти присутствуют ароматические углеводороды с тремя, четырьмя и пятью и более конденсированными кольцами, такие как аценафтен, антрацен, фенантрен, бензантрацен, перилен и др. [Лебедев, 2015]. В качестве примера на рис. 19 приведена масс-хроматограмма распределения основных углеводородов группы фенантрена по фразментным ионам m/z 178, 196, 206, 220. 23 Рис. 19. Масс-хроматограмма распределения фенантреновых УВ (m/z 178, 196, 206, 220). Идентификация углеводородов приведена в таблице 4. Таблица 4 Идентификация фенантреновых углеводородов по масс-спектральным данным и индексу удерживания [Lee et al., 1979] № пика Индекс удерживания ПАУ Углеводород m/z 1 2 3 300.0 324.5 325.1 P (Phenanthrene) 3-MP 2-MP 178(M+) 192(M+) 192(M+) 4 327.9 9-MP 192(M+) 5 328.1 1-MP 192(M+) 6 337.7 2,6-, 2,7-DMP 206(M+) 7 8 340.0 340.9 1,3-,3,9-, 2,10-DMP 1,6-, 2,5-, 2,9-DMP 206(M+) 206(M+) 9 341.8 1,7-DMP 206(M+) 10 343.1 2,3-DMP 206(M+) 11 12 343.8 345.3 1,9-, 4-10-DMP 1,8-DMP 206(M+) 206(M+) 13 348.1 1,2-DMP 206(M+) 14 15 357.0 358.0 1,3,6-,1,3,10, 2,6,10-TMP 1,3,7-, 2,7,9-, 2,6,9-TMP, 220(M+) 220(M+) 16 17 359.0 366.7 1,3,9-, 2,3,6-ТМP 1-M,7-IPP (Retene) 220(M+) 219, 234(M+) 28 369.7 1,7,8 -TMP 220(M+) Примечание. ПАУ — полициклические ароматические углеводороды, Р — фенантрен, МР — метилфенантрены, ЕР-этилфенантрены, DMP — диметилфенантрены, ТМР — триметилфенантрены, TMTGP — 1,1,7,8-тетраметил- 1,2,3,4-тетрагидрофенантрен, 1-M, 7IPP — 1-метил, 7-изопропилфенантрен (ретен), CHR — хризен. 24 Заключение В курсовой работе затронуты лишь немногие аспекты применения хроматомассспектрометрии в органической геохимии. Как видно из таблицы 5 аналитические возможности этого метода чрезвычайно высоки. Отметим некоторый комплекс задач, которые также важны как для органической геохимии, так и нефтегазовой геологии: определение индивидуального состава углеводородов основных типов ископаемого органического вещества предполагаемых материнских отложений; по составу и распределению молекул биомаркёров возможно проводить реконструкцию условий накопления и преобразования органического вещества различных типов; по соотношению биомаркёров различной термодинамической устойчивости определять степень зрелости ( катагенетической преобразованости); проводить генетические сопостовления в ряду органическое вещество – микронефть – макронефть; определять степень бактериальной диградации нафтидов в зоне гипергенеза; решение «авторства» экологических загрязнений, в том числе нефтяных разливов. Таблица 5 Характеристические ионы различных классов углеводородов Ион (m/z) Класс 57,71,85,99 н-Алканы 77, 91, 92, 105, 106, 119. 120 Бензол и алкилароматические углеводороды 82, 83 Циклогексаны 97 н-Алкены 113, 183, 197 Алифатические изопренаны 109. 123, 193, 208, 222, 236 С14-С17 бициклические сесквитерпаны 109, 123, 163, 177, 191 Дитерпаны 123, 163, 191 Трициклические и тетрациклические терпаны 149, 163, 177, 191, 205, 219, 233 Пентациклические тритерпаны (гопаны) 177 Деметилированные гопаны 189, 231 Некоторые гопены 25 217 Регулярные стераны (14ɑН, 17αН) 218 Регулярные стераны (14βН, 17βН) 231 Метилстераны 232, 259 Перегруппированные стераны (диастераны) 273 Метилдиастераны 253 Моноароматические стераны 231, 245 Триароматические стераны 128 Нафталин 115, 142 Метилнафталины 156, 141 Этилнафталины 168 Метилдефинил 168 (155˂170) Триметилнафталины 170, 155 (155>170) Метилэтилнафталины 178 Фенантрен 202 Пирен, флюорантен 228 Хризены 252 Бензопирен, перилен, бензофлюорантены 278 Пицены 136 Адамантан 135 Алкиладамантаны 149 Метилалкиладамантаны 163 Диметилалкиладамантаны 177 Триметилалкиладамантаны 188 Диамантан 187 Алкилдиаамантаны 201 Метилалкилдиаамантаны 240 Триамантан 239 Алкилтриамантаны 292 Тетрамантаны 291 Алкилтетраамантаны 27, 41, 55, 69 и т.д Алкены 39, 53, 67 и т.д Ацетилены 26 Список литературы 1. Ааванъини И., Манъо Ф., Сералъя Р., Тралъди П. Количественные методы в массспектрометрии. - М.: Техносфера, 2008.- 176 с. 2. Гируц, М.В. Алмазоподобные углеводороды в нефтях и моделирование процессов их образования Дисс. докт. хим. наук./ М.В. Гируц- М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2015. - 280 с. 3. Губкин И.М. Учение о нефти/ И.М. Губкин - М.-Л: ОНТИ НКТП СССР, 1937. - 460 с. 4. Джонстон Р. Руководство по масс-спектрометрии для химиков органиков. - М.: Мир, 1975. - 236 с. 5. Петров А.А. Масс-спектрометрия насыщенных углеводородов/ А.С. Головкина, Г.В. Русинова, А.А. Петров - М.: Успехи химии, 1984. - Т. 53. - Вып. 9. - С. 14931522. 6. Гордадзе, Г.Н. Хроматомасс-спектрометрия в анализе углеводородов нефти и продуктов ее переработки/ Г.Н. Гордадзе, М.В. Гируц, А.Р. Пошибаева. М.:Углеводороды в нефтяной геохимии (теория и практика). – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2015. - 559 с. 7. Каширцев, В.А. Геология и органическая геохимия осадочных бассейнов Восточной Сибири – Новосибирск: ИНГГ СО РАН, 2015. – 251с. 8. Лебедев, А.Т. Масс-спектрометрия в органической химии. Издание второе, переработанное и дополненное/ А.Т. Лебедев. – М.: Техносфера, 2015. - 704 с. 9. Петров, А.А. Масс-спектры нефтяных углеводородов. Справочник (атлас)/Под ред. Ал.А. Петрова/ А.С. Головкина, Г.В. Русинова. – М.: Недра, 1986. - 313 с. 10. Петров Ал. А. Углеводороды нефти. М.: Наука, 1984. 286 с. 11. Хмельницкий, Р.А. Хроматомасс-спектрометрия/ Р.А. Хмельницкий, Е.С. Бродский. – М.: Химия, 1984. - 216 с. 12. Вулъфсон, Н.С. Масс-спектрометрия органических соединений/ Н.С. Вулъфсон, В.Т. Заикин, А.И. Микая. – М.: Химия, 1986. - 312 с. 13. Peters K.E., Walters C.C., Moldowan J.M. The Biomarker Guide, 2nd Edition. Vol. I. Biomarkers and Isotopes in the Environment and Human History. Cambridge University Press. - 2005. - 471 p. - Vol. II. Biomarkers and Isotopes in Petroleum Exploration and Earth History. Cambridge University Press, Cambridge. - 2005. - 679 p. 14. Lee M.L., Vassilaros D.L., White C.M., Novotny M. Retention indices for programmedtemperature capillary-column gas chromatography of polycyclic aromatic hydrocarbons // Anal. Chem., 1979, v. 51, p. 768—773. 27 28
