我國學者以BCH為基礎揭示MCH和Tol氫同位素分餾效應機制

　　芳烴化合物廣泛分布在地球上烴源巖、石油、煤以及現代沉積物中，以及分散在宇宙中的一些星際介質、隕石和小行星中。由于具有生物毒性而難以在地球活體生物內廣泛合成，地質體中的芳烴化合物被認為主要來自于烴類芳構化作用。該過程涉及到烴類化合物中C？H鍵的斷裂和去氫作用，將導致產物芳烴及其殘余前驅物發生氫同位素分餾效應。因而，開展芳烴化合物氫同位素的分餾研究對地質體及隕石中芳烴化合物的成因演化具有重要意義。

　　近期，中國科學院廣州地球化學研究所廖澤文研究員及其團隊成員程斌副研究員以正丁基環己烷（BCH）為實驗對象來模擬單環烴類的芳構化過程，調查BCH熱演化產物中甲苯（Tol）和甲基環己烷（MCH）的氫同位素的演化特征及其分餾機制，進而探討烴類芳構化過程中芳烴及其前驅物的分餾特征。實驗結果顯示，BCH的24h熱解產物中甲基環己烷和甲苯產生強烈的氫同位素分餾效應，？δDTol？MCH（δDTol ？ δDMCH）值高達+162.3‰，這種強烈同位素分餾效應隨著熱解時間的延長而逐漸減弱。？δDTol？MCH值、Tol/(Tol+MCH)比值與熱成熟度參數（Easy Ro）具有較好的線性相關性（圖1），顯示了？δDTol？MCH值、Tol/(Tol+MCH)比值對于輕質油藏的熱演化程度可能具有一定的判識意義。

圖1 ？δDTol？MCH？Easy Ro (a)、Δδ13CTol？MCH？Easy Ro (b)、？δDTol？MCH？Tol/(Tol+MCH) (c)、Δδ13CTol？MCH？Tol/(Tol+MCH) (d)、Easy Ro？Tol/(Tol+MCH) (e)和 Easy Ro？Tol/MCH (f)的相關性分析圖.

　　？δDTol？MCH值與熱解時間的良好相關性（圖2a）顯示，正丁基環己烷熱解時間越短，芳烴氫同位素的分餾程度越強烈，例如，在10min的熱解作用下，？δDTol？MCH值將高達+363.6‰。分析認為，烴類芳構化過程受到二級動力學同位素效應影響，脂肪環優先斷裂C？1H鍵而在芳環上殘留更多C？2H鍵，因而快速芳構化作用將導致芳烴強烈富集2H（圖2b）。

　　非常有意思的是，球粒隕石中的多環芳烴強烈富集重氫同位素，上述研究結果對于認識對于球粒隕石中強烈富集2H的多環芳烴（δD值高達100？1100‰）成因具有重要的啟示。在本文中對上述問題進行了以下兩方面的思考：（1）隕石在形成與演化過程中是否存在快速的熱過程？（2）隕石在穿越大氣層的短暫燃燒過程中是否對其中多環芳烴的生成有貢獻。

圖2 ΔδDTol？MCH值隨BCH熱解時間變化的演化趨勢（a）和單環烴類芳構化過程中含不同氫同位素的C？H鍵斷裂的可能方式（b）圖

　　該研究獲得中國科學院先導科技A類專項（XDA14010103）、國家科技重大專項（2017ZX05008002）以及國家自然科學基金項目（41772117）的聯合資助。相關成果發表在ACS Earth and Space Chemistry雜志上。