石油中部分“非卟啉”钒化合物的形态分析

吴洋洋， 郑 方， 卢金成， 史 权

(中国石油大学 重质油国家重点实验室，北京 102249)

石油中存在多种金属元素[1]，其中镍、钒元素含量最多、影响最大。一方面，含镍、钒元素的化合物作为重要的生物标志物，可以描述地下有机质与天然物之间广泛的联系，为石油勘探与油田价值评估提供重要的理论指导[2]；另一方面，镍、钒元素易造成石油加工工艺催化剂的失活，具有极大的负面影响[3]。因此，了解原油中镍化合物和钒化合物的存在形态，可以为石油资源的勘探以及高效利用提供重要的指导。

镍卟啉和钒卟啉是石油中最早被发现的有机镍、钒化合物[4-6]。利用紫外-可见吸收光谱(UV-vis)和质谱(MS)技术，在石油中共发现了初卟啉(ETIO)、脱氧叶红初卟啉(DPEP)[7]、玫红初卟啉(Rhodo-ETIO)、玫红脱氧叶红初卟啉(Rhodo-DPEP)[8-9]、双环脱氧叶红初卟啉(Di-DPEP)[10]和玫红双环脱氧叶红初卟啉(Rhodo-Di-DPEP)[11]等6种N4VO类常规卟啉。其中，ETIO型和DPEP型卟啉是2类最常见的卟啉，其等效双键数(DBE)分别为17和18[12]。

钒卟啉在UV-vis中具有明显的特征吸收峰，因此UV-vis是目前钒卟啉定量分析最有效的手段[13]。但是，UV-vis对钒卟啉的定量分析易受到溶剂效应[14-15]、环外取代基效应[16-17]和配位及缔合效应[18-19]等因素的影响而产生偏差。UV-vis的定量分析结果表明，以卟啉形式存在的钒元素的质量只占石油中钒元素总质量的20%～50%[1]。这表明石油中大部分的钒化合物在UV-vis下没有响应。这部分在UV-vis下没有响应的钒化合物被定义为“非卟啉”。

由于缺乏合适的表征手段，对“非卟啉”的研究主要依赖于X射线吸收光谱，但其描述的仅仅是“非卟啉”的平均结构信息，无法从分子层次认知“非卟啉”。Loos等[20]、Poncet等[21]和Berthe等[22]利用X射线吸收光谱来分析“非卟啉”化合物，结果表明石油中的“非卟啉”依然具有常规卟啉的结构单元，但其具体的结构信息未知。

近来，具有超高质量分辨率和测量准确度的傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)被应用到石油中钒化合物的分析中，并取得了明显的进展[23-24]。Qian等[25]分析某减压渣油的沥青质组分中的钒卟啉时，首次发现了新型N4VOS类含硫卟啉。Zhao等[26]在委内瑞拉原油中发现了杂原子类型为N4VO2、N4VO3、N4VO4、N5VO和N5VO2等5种新型钒卟啉。这些新型卟啉的发现预示着卟啉环的外周存在更复杂的结构。Stoyanov等[27]利用密度泛函理论计算的方法，证明了石油中的钒卟啉可以与Lewis碱形成轴向配位的卟啉。

笔者以委内瑞拉原油为研究对象，分离出“非卟啉”富集组分及其亚组分，使用FT-ICR MS、高温气相色谱-原子发射检测器(HT GC-AED)和UV-vis光谱等技术分析“非卟啉”富集组分中钒元素的存在形态。

1 实验部分

1.1 原料及仪器

原料：委内瑞拉原油，购自中国石油某炼油厂，性质见表1；硅藻土，试剂纯，青岛海洋化工厂产品；甲酸铵，优级纯，百灵威科技有限公司产品；甲苯、三氯甲烷、二氯甲烷、甲醇、正庚烷，均为分析纯，北京试剂厂产品，重蒸除杂后使用。

仪器：傅里叶变换离子回旋共振质谱(美国Bruker公司，Apex Ultra型，磁场强度9.4 T)；紫外-可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司，TU-1810DAPC型)；高温气相色谱-原子发射光谱仪联用(高温气相色谱为Agilent 7890型，美国Agilent公司；原子发射光谱仪为JAS 2390AA型，德国JAS公司)；电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES，美国Perkin-Elmer公司，Perkin-Elmer Optima 7300DV型)。

表1 委内瑞拉原油性质Table 1 Properties of Venezuela crude oil

1.2 石油“非卟啉”富集组分的制备与萃取分离

制备方法：将10 g的委内瑞拉原油溶于50 mL的二氯甲烷(DCM)中，加入30 g硅藻土，搅拌均匀后40 ℃下烘干24 h，去除DCM。将干燥后的样品放在索氏抽提器中，用正庚烷、甲醇分别抽提24 h，最后再用DCM抽提8 h，得到的DCM萃取物即为石油“非卟啉”富集组分。

为了使DCM萃取物中“非卟啉”进一步分类分离，减轻相互之间的干扰，将石油“非卟啉”富集组分进行萃取分离，过程如图1所示：将20 mg的DCM萃取组分充分溶于10 mL甲苯(T)中，加入30 mL甲醇(M)，混合均匀，接着加入100 μL质量分数为0.1%的甲酸铵甲醇溶液，超声加热3 min，离心分离沉淀，取上层清液。之后，向沉淀中加入10 mL甲苯，沉淀溶解后重复上述步骤。重复7次后，将得到的上层清液收集到一起，即为甲苯/甲醇(VT/VM=1/3)可溶物M1。

然后逐渐提高甲苯与甲醇的体积比例，将DCM萃取物分为4个不同的亚组分，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。利用旋转蒸发仪除去M1～M4的溶剂后，分别用5 mL二氯甲烷溶解，加入5 mL的水清洗、分离，重复3次，充分去除甲酸铵。

图1 DCM萃取物的萃取分离示意图Fig.1 Separation scheme of DCM extractT—Toluene; M—Methanol

1.3 表征方法

UV-vis表征：以甲苯作为溶剂，将样品配成质量浓度为0.05 mg/mL的溶液，将UV-vis的检测范围设为300～700 nm，2 nm固定光谱带宽。

FT-ICR MS表征：样品配成10 mg/mL的母液，取20 μL母液，用甲苯/甲醇(VT/VM=1/3)稀释至1 mL，然后加入20 μL 0.1 mg/mL的甲酸铵甲醇溶液作为促电离剂。正离子ESI FT-ICR MS主要仪器参数如下：进样流速180 μL/h，雾化气流速1 L/min，干燥气流速5 L/min，干燥气温度200 ℃，极化电压-4000 V，毛细管入口电压-4500 V，毛细管出口电压300 V，源六级杆累积时间0.001 s，碰撞能量-1.5 eV，碰撞池累计时间0.4 s，从六级杆到分析池的飞行时间1.2 ms，激发衰减18 dB，采集质量范围200～1000 Da，扫描谱图叠加128次以提高信噪比。

高温GC-AED表征：色谱柱为TG-1MT(5.00 m×0.53 mm×0.15 μm，美国Thermo Fisher公司)；进样口温度和传输线温度皆为430 ℃；升温程序为50 ℃的初温，以15 ℃/min的速率升至430 ℃，保持15 min。

2 结果与讨论

2.1 委内瑞拉原油各萃取物的钒元素分布

委内瑞拉原油各萃取物的UV-vis谱如图2所示；其ICP-AES元素分析结果见表2。由图2可知：甲醇萃取物在410 nm附近有明显的特征吸收峰，属于钒卟啉的Soret峰；正庚烷萃取物的谱图中钒卟啉的Soret峰稍弱；DCM萃取物的谱图中几乎没有钒卟啉的Soret峰。这说明甲醇萃取物中的钒卟啉含量比较高；而DCM萃取物中的钒卟啉含量非常低。但由表2可知，40%(质量分数)以上的金属钒富集在了DCM萃取物中，其中钒元素质量分数在2000 mg/kg以上，说明DCM萃取物是“非卟啉”的富集组分。

2.2 石油“非卟啉”富集组分中钒元素存在形态

图3(1)为DCM萃取物的正离子ESI FT-ICR MS分析结果。由图3(1)可知，虽然DCM萃取物中钒元素质量分数在2000 mg/kg以上，但是以甲酸作为促电离剂，其正离子ESI FT-ICR MS谱中却几乎看不到钒卟啉的质量峰。而当以甲酸铵作为促电离剂时，待测溶液中却出现了沉淀。将其离心分离后，取上层清液M0进行正离子ESI FT-ICR MS分析，结果如图3(2)所示。由图3(2)可知，M0的谱图中出现了高强度的N4VO类卟啉的质量峰。

图2 各个萃取物的UV-vis图Fig.2 UV-vis spectra of the individual extract(1) Heptane extract； (2) Methanol extract； (3) DCM extract

表2 各个萃取物的质量收率和钒元素分析结果Table 2 Mass yields and vanadium elemental analysisof the individual extract

图3 DCM萃取物的正离子ESI FT-ICR MS谱图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，去除溶剂DCM，用3 mL的甲苯溶解后，进行UV-vis表征，结果如图4所示。由图4可以发现，UV-vis谱中出现明显的钒卟啉特征吸收峰。这说明至少有一部分“非卟啉”的本质就是卟啉，但是这部分“非卟啉”的钒原子可能与其他组分分子形成了配位或其他非共价键结构，使得卟啉骨架被束缚，从而成为了表观上的“非卟啉”。

图4 M0的UV-vis谱图Fig.4 UV-vis spectrum of M0

图5为原油甲醇萃取物和M0的正离子ESI FT-ICR MS分析谱图，在m/z=500左右相对丰度较高的质量峰都为N4VO类卟啉的质量峰。对比甲醇萃取物与M0中钒卟啉分布规律，结果如图6所示。由图6可知：原油甲醇萃取物中钒卟啉的DBE分布在17～24之间，碳数分布在C25～C41之间，且以DBE=18的N4VO类卟啉为主；M0中钒卟啉的DBE分布在17～22之间，碳数分布在C25～C38之间，且以DBE=17与DBE=18的N4VO类卟啉为主。因此，甲醇萃取物与M0中的钒卟啉类型并没有明显的差异，二者分子大小或分子缩合度相近。

此外，因为N4VO类卟啉分子中烷基碳数并不多，因此不同溶剂萃取得到的钒卟啉化合物，其分子溶解性的差异并非由分子大小、结构和构型导致。由DCM萃取物中添加甲酸铵产生沉淀的现象推断，M0中从“非卟啉”组分中分离出的卟啉化合物分子，原来可能与其他组分分子形成了稳定的配位或其他非共价键结构，使其不能被甲醇萃取分离。当加入甲酸铵后，其铵根离子经电离源加热生成NH3分子，破坏了配位或非共价键结构，使这部分卟啉类化合物得到释放而被萃取到M0中。

图5 甲醇萃取物与M0的正离子ESI FT-ICR MS谱图Fig.5 Mass spectra of methanol extract and M0by positive-ion ESI FT-ICR MS(1) Methanol extract； (2) M0

图6 甲醇萃取物和M0中N4VO类卟啉的DBE与碳数分布图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萃取物的各亚组分中有机钒化合物和甲醇萃取物中钒卟啉化合物的气相色谱图如图7所示。需要说明的是，没有对M4组分进行高温气相色谱分析，因其挥发性太差。对比DCM萃取物亚组分和甲醇萃取物中钒化合物的保留时间分布，发现DCM萃取物亚组分中钒化合物保留时间明显更长，说明“非卟啉”分子与卟啉分子的表观结构存在明显的差异，可能的原因主要有2种：一是“非卟啉”分子中的钒原子与其他组分分子形成了稳定的配位或其他非共价键结构；二是“非卟啉”分子的DBE更高或者碳链更长。随着萃取剂比例的调整和逐级萃取分离的进行，DCM萃取物亚组分中钒化合物色谱峰的位置没有改变，说明“非卟啉”富集组分中钒化合物与沥青质基质之间存在着一个化学平衡，因此通过逐级萃取分离，难以使不同种类钒化合物实现完全分离。

图7 各亚组分钒化合物的HT GC-AED谱图Fig.7 HT GC-AED chromatograms of subfraction extracts(1) M1； (2) M2； (3) M3；(4) Methanol extract

2.4 DCM萃取物各亚组分的钒元素分布

通过ICP-AES对各亚组分中钒元素进行分析，结果表明M1～M4亚组分中钒元素质量分数差异不大，均在2000 mg/kg左右。其中，质量分数为60%的钒元素分布在M4组分中。这说明通过逐级萃取分离，钒化合物并没有富集，且至少有约60%(质量分数)的钒化合物缺乏适合的分子层面表征手段。

表3 DCM萃取物各个亚组分的组分收率和钒元素分析结果Table 3 Mass yields and vanadium elemental analysisof the subfraction of DCM extracts

2.5 DCM萃取物各亚组分的正离子ESI FT-ICR MS表征

以甲酸铵作为促电离剂，M1～M3的ESI FT-ICR MS谱图如图8(a)所示；由于M4组分的溶解性较差，故未进行ESI FT-ICR MS分析。钒卟啉在m/z=528.2的质量峰最强，其局部放大如图8(b)所示。由图8可知，虽然M1～M3中钒元素含量非常接近，但M1中钒卟啉的质量峰十分明显，而M2与M3的谱图中可识别的有效峰数量很少，几乎看不到钒卟啉的质量峰。

图8 亚组分M1～M3的正离子ESI FT-ICR MS谱图及其局部放大图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中钒卟啉的DBE与碳数分布如图9所示。由图9可以发现：M1中存在大量的成系列分布的钒卟啉，DBE分布在17～25之间，碳数分布在C25～C46之间；M2中只有DBE为17和18的钒卟啉，碳数分布范围明显变窄；M3组分中只有DBE为17的钒卟啉，碳数分布范围为C29～C31。随着甲苯与甲醇体积比的提高，各亚组分中钒卟啉质量峰的相对强度逐渐降低，类型也逐渐减少，碳数分布逐渐变窄；但经过了14次萃取后，M3中仍然有很少量的DBE=18的钒卟啉。这表明，一部分“非卟啉”是由于卟啉与沥青质基质相互作用被束缚，而未能被紫外光谱检测到。但“非卟啉”的本质不是缩合度更高、或碳链更长的卟啉，否则随着逐级萃取分离的进行，应该可以检测到DBE更高或者碳链更长的卟啉，因为随着甲酸铵的不断加入，萃取平衡总是向释放出更多、与沥青质相互作用更强的卟啉方向移动，而M4中仍然含有质量分数很高的不能被萃取分离的“非卟啉”。

2.6 “非卟啉”的存在形态分析

将甲酸铵加入到“非卟啉”富集组分中，甲酸铵的加入使部分沥青质转化为沉淀，打破了钒卟啉与沥青质间的相互作用，使钒卟啉得以释放，从而在质谱中检测到了系列的钒卟啉。这些释放的钒卟啉在结构上与游离的钒卟啉基本一致，说明部分“非卟啉”具有常规钒卟啉的结构单元，但因与沥青质基质的作用而表现出了“非卟啉”的形态。

同时，对“非卟啉”富集组分进行逐级萃取分离发现，虽然色谱分析显示卟啉与“非卟啉”的结构存在明显的差异，却难以实现二者的完全分离，进一步说明有一部分“非卟啉”本质是常规卟啉，只是由于其与沥青质基质相互作用而被束缚了。

图9 M1～M3中钒卟啉的DBE与碳数分布图Fig.9 DBE versus carbon number of vanadylporphyrins in M1-M3(a) M1； (b) M2； (c) M3

然而，卟啉与沥青质基质间的作用至今尚无明确的证据。Bencosme等[28]指出，钒卟啉的金属中心与含氮、含氧、含硫的化合物均有一定的配位能力，且配位结构会使紫外吸收峰发生偏移。卢金成[29]证明不同位置的紫外吸收峰的叠加会降低吸收峰强度，增加峰宽度。综合这些研究成果，推断“非卟啉”的存在形态为：“非卟啉”组分中存在常规卟啉结构单元；其分子与沥青质分子通过配位键或其他非共价键作用结合在一起。这种“非卟啉”与沥青质的共存结构使其在质谱分析时失去特征响应，并使其US-vis吸收峰产生不同程度的偏移和相互叠加，峰强度减弱，峰形变平滑甚至消失。

3 结 论

采用DCM溶剂萃取的方法，成功从委内瑞拉原油中分离得到了“非卟啉”富集组分。以甲酸铵为促电离剂，用(+)ESI FT-ICR MS检测“非卟啉”富集组分，结果表明“非卟啉”中含有丰度很高的常规钒卟啉，其分布范围也与石油中常规钒卟啉分布一致。其未能被US-vis检测的原因可能是这部分常规钒卟啉与沥青质分子以配位或其他非共价键形式相互作用而被束缚。

对“非卟啉”富集组分逐级萃取分离后发现，“非卟啉”分子并非是简单的DBE更高或者碳链更长的卟啉，其表观结构与卟啉分子存在明显的差异。经过21次逐级萃取分离后，仍有约质量分数为60%的“非卟啉”无法萃取分离。因此，这部分“非卟啉”的分析研究方法仍需要深入探讨，建议聚焦于“非卟啉”为卟啉化合物金属原子轴向配位形成大分子这一假设，研究配位分子的结构及不同配位化合物的组成。