石油中部分“非卟啉”釩化合物的形態分析

吳洋洋， 鄭 方， 盧金成， 史 權

(中國石油大學 重質油國家重點實驗室，北京 102249)

石油中存在多種金屬元素[1]，其中鎳、釩元素含量最多、影響最大。一方面，含鎳、釩元素的化合物作為重要的生物標志物，可以描述地下有機質與天然物之間廣泛的聯系，為石油勘探與油田價值評估提供重要的理論指導[2]；另一方面，鎳、釩元素易造成石油加工工藝催化劑的失活，具有極大的負面影響[3]。因此，了解原油中鎳化合物和釩化合物的存在形態，可以為石油資源的勘探以及高效利用提供重要的指導。

鎳卟啉和釩卟啉是石油中最早被發現的有機鎳、釩化合物[4-6]。利用紫外-可見吸收光譜(UV-vis)和質譜(MS)技術，在石油中共發現了初卟啉(ETIO)、脫氧葉紅初卟啉(DPEP)[7]、玫紅初卟啉(Rhodo-ETIO)、玫紅脫氧葉紅初卟啉(Rhodo-DPEP)[8-9]、雙環脫氧葉紅初卟啉(Di-DPEP)[10]和玫紅雙環脫氧葉紅初卟啉(Rhodo-Di-DPEP)[11]等6種N4VO類常規卟啉。其中，ETIO型和DPEP型卟啉是2類最常見的卟啉，其等效雙鍵數(DBE)分別為17和18[12]。

釩卟啉在UV-vis中具有明顯的特征吸收峰，因此UV-vis是目前釩卟啉定量分析最有效的手段[13]。但是，UV-vis對釩卟啉的定量分析易受到溶劑效應[14-15]、環外取代基效應[16-17]和配位及締合效應[18-19]等因素的影響而產生偏差。UV-vis的定量分析結果表明，以卟啉形式存在的釩元素的質量只占石油中釩元素總質量的20%～50%[1]。這表明石油中大部分的釩化合物在UV-vis下沒有響應。這部分在UV-vis下沒有響應的釩化合物被定義為“非卟啉”。

由于缺乏合適的表征手段，對“非卟啉”的研究主要依賴于X射線吸收光譜，但其描述的僅僅是“非卟啉”的平均結構信息，無法從分子層次認知“非卟啉”。Loos等[20]、Poncet等[21]和Berthe等[22]利用X射線吸收光譜來分析“非卟啉”化合物，結果表明石油中的“非卟啉”依然具有常規卟啉的結構單元，但其具體的結構信息未知。

近來，具有超高質量分辨率和測量準確度的傅里葉變換離子回旋共振質譜(FT-ICR MS)被應用到石油中釩化合物的分析中，并取得了明顯的進展[23-24]。Qian等[25]分析某減壓渣油的瀝青質組分中的釩卟啉時，首次發現了新型N4VOS類含硫卟啉。Zhao等[26]在委內瑞拉原油中發現了雜原子類型為N4VO2、N4VO3、N4VO4、N5VO和N5VO2等5種新型釩卟啉。這些新型卟啉的發現預示著卟啉環的外周存在更復雜的結構。Stoyanov等[27]利用密度泛函理論計算的方法，證明了石油中的釩卟啉可以與Lewis堿形成軸向配位的卟啉。

筆者以委內瑞拉原油為研究對象，分離出“非卟啉”富集組分及其亞組分，使用FT-ICR MS、高溫氣相色譜-原子發射檢測器(HT GC-AED)和UV-vis光譜等技術分析“非卟啉”富集組分中釩元素的存在形態。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

原料：委內瑞拉原油，購自中國石油某煉油廠，性質見表1；硅藻土，試劑純，青島海洋化工廠產品；甲酸銨，優級純，百靈威科技有限公司產品；甲苯、三氯甲烷、二氯甲烷、甲醇、正庚烷，均為分析純，北京試劑廠產品，重蒸除雜后使用。

儀器：傅里葉變換離子回旋共振質譜(美國Bruker公司，Apex Ultra型，磁場強度9.4 T)；紫外-可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司，TU-1810DAPC型)；高溫氣相色譜-原子發射光譜儀聯用(高溫氣相色譜為Agilent 7890型，美國Agilent公司；原子發射光譜儀為JAS 2390AA型，德國JAS公司)；電感耦合等離子體原子發射光譜(ICP-AES，美國Perkin-Elmer公司，Perkin-Elmer Optima 7300DV型)。

表1 委內瑞拉原油性質Table 1 Properties of Venezuela crude oil

1.2 石油“非卟啉”富集組分的制備與萃取分離

制備方法：將10 g的委內瑞拉原油溶于50 mL的二氯甲烷(DCM)中，加入30 g硅藻土，攪拌均勻后40 ℃下烘干24 h，去除DCM。將干燥后的樣品放在索氏抽提器中，用正庚烷、甲醇分別抽提24 h，最后再用DCM抽提8 h，得到的DCM萃取物即為石油“非卟啉”富集組分。

為了使DCM萃取物中“非卟啉”進一步分類分離，減輕相互之間的干擾，將石油“非卟啉”富集組分進行萃取分離，過程如圖1所示：將20 mg的DCM萃取組分充分溶于10 mL甲苯(T)中，加入30 mL甲醇(M)，混合均勻，接著加入100 μL質量分數為0.1%的甲酸銨甲醇溶液，超聲加熱3 min，離心分離沉淀，取上層清液。之后，向沉淀中加入10 mL甲苯，沉淀溶解后重復上述步驟。重復7次后，將得到的上層清液收集到一起，即為甲苯/甲醇(VT/VM=1/3)可溶物M1。

然后逐漸提高甲苯與甲醇的體積比例，將DCM萃取物分為4個不同的亞組分，即甲苯/甲醇(VT/VM=1/3)可溶物M1、甲苯/甲醇(VT/VM=2/3)可溶物M2、甲苯/甲醇(VT/VM=1)可溶物M3、以及甲苯/甲醇(VT/VM=1)不可溶物M4。利用旋轉蒸發儀除去M1～M4的溶劑后，分別用5 mL二氯甲烷溶解，加入5 mL的水清洗、分離，重復3次，充分去除甲酸銨。

圖1 DCM萃取物的萃取分離示意圖Fig.1 Separation scheme of DCM extractT—Toluene; M—Methanol

1.3 表征方法

UV-vis表征：以甲苯作為溶劑，將樣品配成質量濃度為0.05 mg/mL的溶液，將UV-vis的檢測范圍設為300～700 nm，2 nm固定光譜帶寬。

FT-ICR MS表征：樣品配成10 mg/mL的母液，取20 μL母液，用甲苯/甲醇(VT/VM=1/3)稀釋至1 mL，然后加入20 μL 0.1 mg/mL的甲酸銨甲醇溶液作為促電離劑。正離子ESI FT-ICR MS主要儀器參數如下：進樣流速180 μL/h，霧化氣流速1 L/min，干燥氣流速5 L/min，干燥氣溫度200 ℃，極化電壓-4000 V，毛細管入口電壓-4500 V，毛細管出口電壓300 V，源六級桿累積時間0.001 s，碰撞能量-1.5 eV，碰撞池累計時間0.4 s，從六級桿到分析池的飛行時間1.2 ms，激發衰減18 dB，采集質量范圍200～1000 Da，掃描譜圖疊加128次以提高信噪比。

高溫GC-AED表征：色譜柱為TG-1MT(5.00 m×0.53 mm×0.15 μm，美國Thermo Fisher公司)；進樣口溫度和傳輸線溫度皆為430 ℃；升溫程序為50 ℃的初溫，以15 ℃/min的速率升至430 ℃，保持15 min。

2 結果與討論

2.1 委內瑞拉原油各萃取物的釩元素分布

委內瑞拉原油各萃取物的UV-vis譜如圖2所示；其ICP-AES元素分析結果見表2。由圖2可知：甲醇萃取物在410 nm附近有明顯的特征吸收峰，屬于釩卟啉的Soret峰；正庚烷萃取物的譜圖中釩卟啉的Soret峰稍弱；DCM萃取物的譜圖中幾乎沒有釩卟啉的Soret峰。這說明甲醇萃取物中的釩卟啉含量比較高；而DCM萃取物中的釩卟啉含量非常低。但由表2可知，40%(質量分數)以上的金屬釩富集在了DCM萃取物中，其中釩元素質量分數在2000 mg/kg以上，說明DCM萃取物是“非卟啉”的富集組分。

2.2 石油“非卟啉”富集組分中釩元素存在形態

圖3(1)為DCM萃取物的正離子ESI FT-ICR MS分析結果。由圖3(1)可知，雖然DCM萃取物中釩元素質量分數在2000 mg/kg以上，但是以甲酸作為促電離劑，其正離子ESI FT-ICR MS譜中卻幾乎看不到釩卟啉的質量峰。而當以甲酸銨作為促電離劑時，待測溶液中卻出現了沉淀。將其離心分離后，取上層清液M0進行正離子ESI FT-ICR MS分析，結果如圖3(2)所示。由圖3(2)可知，M0的譜圖中出現了高強度的N4VO類卟啉的質量峰。

圖2 各個萃取物的UV-vis圖Fig.2 UV-vis spectra of the individual extract(1) Heptane extract； (2) Methanol extract； (3) DCM extract

表2 各個萃取物的質量收率和釩元素分析結果Table 2 Mass yields and vanadium elemental analysisof the individual extract

圖3 DCM萃取物的正離子ESI FT-ICR MS譜圖Fig.3 Positive-ion ESI FT-ICR broadband massspectra of DCM extract(1) Formic acid as ionization promoter；(2) Ammonium formate as ionization promoter

取750 μL的M0，去除溶劑DCM，用3 mL的甲苯溶解后，進行UV-vis表征，結果如圖4所示。由圖4可以發現，UV-vis譜中出現明顯的釩卟啉特征吸收峰。這說明至少有一部分“非卟啉”的本質就是卟啉，但是這部分“非卟啉”的釩原子可能與其他組分分子形成了配位或其他非共價鍵結構，使得卟啉骨架被束縛，從而成為了表觀上的“非卟啉”。

圖4 M0的UV-vis譜圖Fig.4 UV-vis spectrum of M0

圖5為原油甲醇萃取物和M0的正離子ESI FT-ICR MS分析譜圖，在m/z=500左右相對豐度較高的質量峰都為N4VO類卟啉的質量峰。對比甲醇萃取物與M0中釩卟啉分布規律，結果如圖6所示。由圖6可知：原油甲醇萃取物中釩卟啉的DBE分布在17～24之間，碳數分布在C25～C41之間，且以DBE=18的N4VO類卟啉為主；M0中釩卟啉的DBE分布在17～22之間，碳數分布在C25～C38之間，且以DBE=17與DBE=18的N4VO類卟啉為主。因此，甲醇萃取物與M0中的釩卟啉類型并沒有明顯的差異，二者分子大小或分子縮合度相近。

此外，因為N4VO類卟啉分子中烷基碳數并不多，因此不同溶劑萃取得到的釩卟啉化合物，其分子溶解性的差異并非由分子大小、結構和構型導致。由DCM萃取物中添加甲酸銨產生沉淀的現象推斷，M0中從“非卟啉”組分中分離出的卟啉化合物分子，原來可能與其他組分分子形成了穩定的配位或其他非共價鍵結構，使其不能被甲醇萃取分離。當加入甲酸銨后，其銨根離子經電離源加熱生成NH3分子，破壞了配位或非共價鍵結構，使這部分卟啉類化合物得到釋放而被萃取到M0中。

圖5 甲醇萃取物與M0的正離子ESI FT-ICR MS譜圖Fig.5 Mass spectra of methanol extract and M0by positive-ion ESI FT-ICR MS(1) Methanol extract； (2) M0

圖6 甲醇萃取物和M0中N4VO類卟啉的DBE與碳數分布圖Fig.6 DBE versus carbon number of vanadyl porphyrins in methanol extract and M0(a) Methanol extract； (b) M0

2.3 HT GC-AED分析

DCM萃取物的各亞組分中有機釩化合物和甲醇萃取物中釩卟啉化合物的氣相色譜圖如圖7所示。需要說明的是，沒有對M4組分進行高溫氣相色譜分析，因其揮發性太差。對比DCM萃取物亞組分和甲醇萃取物中釩化合物的保留時間分布，發現DCM萃取物亞組分中釩化合物保留時間明顯更長，說明“非卟啉”分子與卟啉分子的表觀結構存在明顯的差異，可能的原因主要有2種：一是“非卟啉”分子中的釩原子與其他組分分子形成了穩定的配位或其他非共價鍵結構；二是“非卟啉”分子的DBE更高或者碳鏈更長。隨著萃取劑比例的調整和逐級萃取分離的進行，DCM萃取物亞組分中釩化合物色譜峰的位置沒有改變，說明“非卟啉”富集組分中釩化合物與瀝青質基質之間存在著一個化學平衡，因此通過逐級萃取分離，難以使不同種類釩化合物實現完全分離。

圖7 各亞組分釩化合物的HT GC-AED譜圖Fig.7 HT GC-AED chromatograms of subfraction extracts(1) M1； (2) M2； (3) M3；(4) Methanol extract

2.4 DCM萃取物各亞組分的釩元素分布

通過ICP-AES對各亞組分中釩元素進行分析，結果表明M1～M4亞組分中釩元素質量分數差異不大，均在2000 mg/kg左右。其中，質量分數為60%的釩元素分布在M4組分中。這說明通過逐級萃取分離，釩化合物并沒有富集，且至少有約60%(質量分數)的釩化合物缺乏適合的分子層面表征手段。

表3 DCM萃取物各個亞組分的組分收率和釩元素分析結果Table 3 Mass yields and vanadium elemental analysisof the subfraction of DCM extracts

2.5 DCM萃取物各亞組分的正離子ESI FT-ICR MS表征

以甲酸銨作為促電離劑，M1～M3的ESI FT-ICR MS譜圖如圖8(a)所示；由于M4組分的溶解性較差，故未進行ESI FT-ICR MS分析。釩卟啉在m/z=528.2的質量峰最強，其局部放大如圖8(b)所示。由圖8可知，雖然M1～M3中釩元素含量非常接近，但M1中釩卟啉的質量峰十分明顯，而M2與M3的譜圖中可識別的有效峰數量很少，幾乎看不到釩卟啉的質量峰。

圖8 亞組分M1～M3的正離子ESI FT-ICR MS譜圖及其局部放大圖Fig.8 Mass spectra and its expanded at m/z=528 of M1-M3 by positive-ion ESI FT-ICR MS(a) Mass spectra; (b) Expanded part of the frame(1) M1； (2) M2； (3) M3

M1～M3中釩卟啉的DBE與碳數分布如圖9所示。由圖9可以發現：M1中存在大量的成系列分布的釩卟啉，DBE分布在17～25之間，碳數分布在C25～C46之間；M2中只有DBE為17和18的釩卟啉，碳數分布范圍明顯變窄；M3組分中只有DBE為17的釩卟啉，碳數分布范圍為C29～C31。隨著甲苯與甲醇體積比的提高，各亞組分中釩卟啉質量峰的相對強度逐漸降低，類型也逐漸減少，碳數分布逐漸變窄；但經過了14次萃取后，M3中仍然有很少量的DBE=18的釩卟啉。這表明，一部分“非卟啉”是由于卟啉與瀝青質基質相互作用被束縛，而未能被紫外光譜檢測到。但“非卟啉”的本質不是縮合度更高、或碳鏈更長的卟啉，否則隨著逐級萃取分離的進行，應該可以檢測到DBE更高或者碳鏈更長的卟啉，因為隨著甲酸銨的不斷加入，萃取平衡總是向釋放出更多、與瀝青質相互作用更強的卟啉方向移動，而M4中仍然含有質量分數很高的不能被萃取分離的“非卟啉”。

2.6 “非卟啉”的存在形態分析

將甲酸銨加入到“非卟啉”富集組分中，甲酸銨的加入使部分瀝青質轉化為沉淀，打破了釩卟啉與瀝青質間的相互作用，使釩卟啉得以釋放，從而在質譜中檢測到了系列的釩卟啉。這些釋放的釩卟啉在結構上與游離的釩卟啉基本一致，說明部分“非卟啉”具有常規釩卟啉的結構單元，但因與瀝青質基質的作用而表現出了“非卟啉”的形態。

同時，對“非卟啉”富集組分進行逐級萃取分離發現，雖然色譜分析顯示卟啉與“非卟啉”的結構存在明顯的差異，卻難以實現二者的完全分離，進一步說明有一部分“非卟啉”本質是常規卟啉，只是由于其與瀝青質基質相互作用而被束縛了。

圖9 M1～M3中釩卟啉的DBE與碳數分布圖Fig.9 DBE versus carbon number of vanadylporphyrins in M1-M3(a) M1； (b) M2； (c) M3

然而，卟啉與瀝青質基質間的作用至今尚無明確的證據。Bencosme等[28]指出，釩卟啉的金屬中心與含氮、含氧、含硫的化合物均有一定的配位能力，且配位結構會使紫外吸收峰發生偏移。盧金成[29]證明不同位置的紫外吸收峰的疊加會降低吸收峰強度，增加峰寬度。綜合這些研究成果，推斷“非卟啉”的存在形態為：“非卟啉”組分中存在常規卟啉結構單元；其分子與瀝青質分子通過配位鍵或其他非共價鍵作用結合在一起。這種“非卟啉”與瀝青質的共存結構使其在質譜分析時失去特征響應，并使其US-vis吸收峰產生不同程度的偏移和相互疊加，峰強度減弱，峰形變平滑甚至消失。

3 結 論

采用DCM溶劑萃取的方法，成功從委內瑞拉原油中分離得到了“非卟啉”富集組分。以甲酸銨為促電離劑，用(+)ESI FT-ICR MS檢測“非卟啉”富集組分，結果表明“非卟啉”中含有豐度很高的常規釩卟啉，其分布范圍也與石油中常規釩卟啉分布一致。其未能被US-vis檢測的原因可能是這部分常規釩卟啉與瀝青質分子以配位或其他非共價鍵形式相互作用而被束縛。

對“非卟啉”富集組分逐級萃取分離后發現，“非卟啉”分子并非是簡單的DBE更高或者碳鏈更長的卟啉，其表觀結構與卟啉分子存在明顯的差異。經過21次逐級萃取分離后，仍有約質量分數為60%的“非卟啉”無法萃取分離。因此，這部分“非卟啉”的分析研究方法仍需要深入探討，建議聚焦于“非卟啉”為卟啉化合物金屬原子軸向配位形成大分子這一假設，研究配位分子的結構及不同配位化合物的組成。