甾烷和萜烷化合物特征

.
甾烷和萜烷化合物特征
甾、萜类化合物是烃源岩有机抽提物和原油中重要的也是研究最多 的一类生
物标志化合物。它们既继承了生物化学组分的许多信息，又记录了从生命有机质
到沉积 有机质演化的很多证据。对甾、萜化合物组成和分布特征详细研究，有助
于对烃源岩的深入认识，可以更 好地揭示烃源岩现今状态和演化历史过程。
（一）甾烷化合物组成特征
甾烷类化合物一般归 为低分子量甾烷、重排甾烷、规则甾烷和4-甲基甾烷
等4类，有些地区还可以检测出甲藻甾烷。一般情 况，甾烷总量占总生标量不到
30%，其内组成绝大多数是以规则甾烷为主要成分（超过半数），其次是 重排甾烷，
低分子量甾烷和4-甲基甾烷含量相当，一般小于10%。
甾烷是原油中最为常见 和重要的一类生物标志化合物，它们的母质主要来源
于藻类和高等植物。原油中甾烷包括低碳数甾烷、C
27
~C
29
规则甾烷和重排甾烷、
C
28
~C< br>30
4-甲基甾烷以及C
30
甲藻甾烷。根据规则甾烷相对比例可用于有机质 的生
源分析，C
27
甾烷来源于藻类有机体，C
28
甾烷主要与硅藻 有关，C
29
甾烷的生源既
可以是藻类又可以是高等植物。陆相盆地绝大多数原油中C
27
~C
29
甾烷呈“V”字型
分布，即C
27
＞ C
28
＜C
29
，表明藻类和高等植物双重生源特征。
甾烷基本结 构为全氢化菲稠化环戊烷（图1），其中，在C
10
和C
13
位上连有
甲基，C
17
位连接较长的支链烷基，在C
24
位连接C
1
~C
2
，分别为C
27
~C
29
甾烷。C
5、
C
14
和C
17
位碳环上氢（H）构型有α和β之分，前人规 定：氢原子位于环平面之
下的（即C-H键伸向纸内）为α-H，氢原子位于环平面之上的（即C-H键 伸向
纸外）为β-H。C
20
为手性碳原子，其立体构型有左旋和右旋两种构型，即R 构
型和S构型。

29
28


19
1 2
11
9
10
5
21
18
20
22
23
24
25
26
19
1
2
3
119
10
5
12
21
18
20
22
< br>2
3
1
C
B
13
14
8
7
D
17
16
15
27
C
B
13
14
8
7
D
17
16
15
A
4
A
4
6
6
.

.




（低分子量甾烷）

图1 甾烷基本结构图

规则甾烷的生物构型为5α(H),14α(H),17α (H)C
27
~C
29
20R，随着热演化作用进
行，生物构型（R 构型）甾烷会不断向地质构型（S构型）转化，即转化为
5α(H),14α(H),17α(H)C< br>27
~C
29
20S，并与5α(H),14α(H),17α(H)C
27
~C
29
20R共存并最终
达到平衡。因此，人们常用甾烷的20S( 20R+20S)比值来衡量有机质热演化程度。
在R构型向S构型转化的同时，C
14
和C
17
位上的α-H会向β-H转化，即转化为
5α(H),14β(H),17 β(H)C
27
~C
29
20R和5α(H),14β(H),17β(H) C
27
~C
29
20S，同样形成αα
与ββ共存并最终达到平衡。 所以，也常用ββ(αα+ββ) 比值来衡量有机质热演化
程度，并且与20S(20R+20S)比 值有良好的线性关系。近年来研究表明，ββ型甾
烷在运移过程中会相对富集，所以，对于运移距离较长 的原油，ββ(αα+ββ) 与
20S(20R+20S)关系会偏离线性关系。
在C4
位上连有甲基的甾烷称为4-甲基甾烷，它比规则甾烷多一个碳原子，
有C
28
~C
30
，原油中一般检测到的为C
30
的4-甲基甾烷较为丰富。
C
10
位和C
13
位上甲基因热作用会发生重排，甲基分别连接在C
5
和C
14
位上。
同样，在C
13
位和C
17
位上氢（H）的构型有α和β之分，在C
20
位有R和S两种
立体构型， 从而产生一系列重排甾烷，具体图谱鉴定如图2和表1。
E:dataC04243a2004-06-22 13:53:05CL-041149 3400

RT:60.00 - 78.00
100

90
80
70
R
e
l
a
t
i
v
e< br>
A
b
u
n
d
a
n
c
e< br>7+10
24
1221
22
NL:
1.51E4
mz =
216.5-
217.5 MS
C04243a



9
11
19
20
23
60
50
40
30
20
10


1
14
2
5
18
27
17
15
25
28
26

3

4

6
.
8

.












图2 me217质量色谱图（甾族化合物）

表1 me217质量色谱图甾族化合物鉴定表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
分子式
C
27
H
48

C
27
H
48

C
27
H
48

C
27
H
48

C
28
H
50

C
28
H
50

C
28
H
50

C
28
H
50

C
27
H
48

C
27
H
48

C
27
H
48

C
27
H
48

分子量
372
372
372
372
386
386
386
386
372
372
372
372
化合物名称与立体化学构型
13β(H),17α(H)-20S-重排胆甾烷
13β(H),17α(H)-20R-重排胆甾烷
13α(H),17β(H)-20S-重排胆甾烷
13α(H),17β(H)-20R-重排胆甾烷
13β(H),17α(H)-20S-24-甲基重排胆甾烷
13β(H),17α(H)-20R-24-甲基重排胆甾烷
13α(H),17β(H)-20S-24-甲基重排胆甾烷
13α(H),17β(H)-20R-24-甲基重排胆甾烷
5α(H),14α(H),17α(H)-20S-胆甾烷
5α(H),14β(H),17β(H)-20R-胆甾烷
5α(H),14β(H),17β(H)-20S-胆甾烷
5α(H),14α(H),17α(H)-20R-胆甾烷
.

.
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
C
29
H
52

C
29
H
52

C
29
H
52

C
29
H
52

C
28
H
50

C
28
H
50

C
28
H
50

C
28
H
50

C
29
H
52

C
29
H
52

C
29
H
52

C
29
H
52

C
30
H
54

C
30
H
54

C
30
H
54

C
30
H
54

400
400
400
400
386
386
386
386
400
400
400
400
414
414
414
414
13β(H),17α(H)-20S-24-乙基重排胆甾烷（无）
13β(H),17α(H)-20R-24-乙基重排胆甾烷
13α(H),17β(H)-20S-24-乙基重排胆甾烷
13α(H),17β(H)-20R-24-乙基重排胆甾烷（无）
5α(H),14α(H),17α(H)-20S-24-甲基胆甾烷
5α(H),14β(H),17β(H)-20R-24-甲基胆甾烷
5α(H),14β(H),17β(H)-20S-24-甲基胆甾烷
5α(H),14α(H),17α(H)-20R-24-甲基胆甾烷
5α(H),14α(H),17α(H)-20S-24-乙基胆甾烷
5α(H),14β(H),17β(H)-20R-24-乙基胆甾烷
5α(H),14β(H),17β(H)-20S-24-乙基胆甾烷
5α(H),14α(H),17α(H)-20R-24-乙基胆甾烷
4α-甲基,24-乙基,5α(H),14α(H),17α(H)-胆甾烷(20S)
4α-甲基,24-乙基,5α(H),14β(H),17β(H)-胆甾烷(20R)
4α-甲基,24-乙基,5α(H),14β(H),17β(H)-胆甾烷(20S)
4α-甲基,24-乙基,5α(H),14α(H),17α(H)-胆甾烷(20R)

（二）萜烷化合物组成特征
萜烷类化合物和甾烷化合物一样，是重要生物标志物，它也具有丰 富的有机
质生源信息和热演化记录。
萜烷也是原油中重要的生物标志化合物之一，可以提供许 多关于生油母质信
息，解决原油演化程度问题。原油中检测到的萜烷一般有二环倍半萜烷、三环二
萜烷、四环二萜烷、长链三环萜烷、长链四环萜烷、五环三萜烷和四萜烷等，其
中以五环三萜烷最丰富 和最重要。
五环三萜烷可以分为藿烷类和非藿烷类，陆相原油中最广泛而又最丰富的是
藿烷类 ，均以17α(H)21β(H)藿烷系列（C
27
~C
35
）为主，其次是 17β(H)21α(H)莫烷
系列、18α(H)新藿烷系列和重排藿烷，它们的主要先体物质是细菌 藿四醇，其含
量高低反映低等原核生物有机质贡献大小。
藿烷的基本结构为四个六元环（苯并菲）和一个五元环稠合而成（图3），

2
3
1
25
11
9
10
5
12
26
14
8
27
19
18
28
C
13< br>E
17
16
20
21
29
22
30
31
32
33
34
35
D
15
A
4
B
6
7

23

24
.

.


12

19

（长链三环萜烷）
2
1
17
11
9
10
4
5
16
6
18
8
7
13
14
20
26
2122
23
24
28
25
27
29
30

（藿烷系列）

3
15


图3 萜烷基本结构图

正常的藿烷碳数为30，除了在C
4
、C
8
、C
10
、C
14
、C
18
位上均有甲基取代外，
C
2 1
位上是异丙基。藿烷的立体异构主要发生在C
17
和C
21
上的α 和β构型，以及
C
22
位上的R和S构型（仅当碳数大于30时才有）。同样，17β (H)21β(H)为生物构
型，随着热演化作用，生物构型向17β(H)21α (H)和17α(H)21β(H)地质构型转化。
我们又把17β(H)21α (H)称为莫烷系列 ，17α(H)21β(H)称为藿烷系列，随着热演化
作用的加强，莫烷系列可以进一步转化为藿烷系 列，即ββ→βα→αβ。
碳数小于30的藿烷称为降藿烷，碳数大于30的称为升藿烷。藿烷系列碳 数
为C
27
~C
35
，C
28
较为少见。
长链三环萜烷一般碳数分布在C
19
~C
31
（有资料表明该类化合物碳数 可以高
达45），其中C
22
和C
27
较少，以C
21和C
23
最为丰富，C
26
以后有R和S两个立体
异构体。在C
26
之前常出现一个峰，就是C
24
-四环萜烷。萜烷具体鉴定见表2和图4，图5。




表2 me191质量色谱图萜类化合物鉴定表
序号
分子式 名称与立体化学构型
序号
分子式
1
2
3
C
19
H
34

C
20
H
36

C
21
H
38

C
19
-长链三环萜烷
C
20
-长链三环萜烷
C
21
-长链三环萜烷
22
23
24
C
31
H
58

C
29
H
50

C
29
H
50

名称与立体化学构型
C
31
R-三环萜烷
17α(H),21β(H)-21-乙基藿烷
17β(H),21β(H)-21-乙基藿烷
.

.
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
C
22
H
40

C
23
H
42

C
24
H
44

C
25
H
46

C
24
H
42

C
26
H
48

C
26
H
48

C
27
H
50

C
27
H
50

C
28
H
52

C
28
H
52

C
29
H
54

C
29
H
54

C
27
H
46

C
27
H
46

C
30
H
56

C
30
H
56

C
31
H
58

C
22
-长链三环萜烷
C
23
-长链三环萜烷
C
24
-长链三环萜烷
C
25
-长链三环萜烷
C
24
-四环萜烷
C
26
S-长链三环萜烷
C
26
R-长链三环萜烷
C
27
S-长链三环萜烷
C
27
R-长链三环萜烷
C
28
S-长链三环萜烷
C
28
R-长链三环萜烷
C
29
S-长链三环萜烷
C
29
R-长链三环萜烷
18α(H)-藿烷(Ts)
17α(H)-藿烷(Tm)
C
30
S-三环萜烷
C
30
R-三环萜烷
C
31
S-三环萜烷
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
C
30
H
52

C
29
H
50

C
30
H
52

C
30
H
52

C
30
H
52

C
30
H
52

γ-羽扇烷
17β(H),21α(H)-21-乙基莫烷
奥利烷
17α(H),21β(H)-21-异丙基藿烷
五环三萜烷
17β(H),21α(H)-21-异丙基莫烷
C
31
H
54
17α(H),21β(H)-22S-21-异丁基藿烷
C
31
H
54
17α(H),21β(H)-22R-21-异丁基藿烷
C
30
H
52
γ-蜡烷
C
31
H
54
17β(H),21α(H)-22R-21-异丁基莫烷
C
32
H
56
17α(H),21β(H)-22S-21-异戊基藿烷
C
32
H
56
17α(H),21β(H)-22R-21-异戊基藿烷
C
33
H
58
17α(H),21β(H)-22S-21-异己基藿烷
C
33
H
58
17α(H),21β(H)-22R-21-异己基藿烷
C
34
H
60
17α(H),21β(H)-22S-21-异庚基藿烷
C
34
H
60
17α(H),21β(H)-22R-21-异庚基藿烷
C
35
H
62
17α(H),21β(H)-22S-21-异辛基藿烷
C
35
H
62
17α(H),21β(H)-22R-21-异辛基藿烷










.

.


E:dataC04241

2004-06-22 07:53:26CL-041147 3469
RT:40.00 - 69.50
100

90
80
5
NL:
3.03E4
mz=
190.5-
191.5 MS
17
C04241
6


3
70
R
e
l
a
t
i
v
e

A
b
u
n
d
a
n
c
e
60
50
40
30



4
9
10
8
11
12
2
7
15
13
16
14

20
10
0
40
1








4244464850525456
Time (min)
586062646668
E:dataC04241
图4 me191质量色谱图（长链三环萜烷）
CL-041147 34692004-06-22 07:53:26
28

RT:68.00 - 93.00
100
90
80
70
e
l
a
t
i
v
e< br>
A
b
u
n
d
a
n
c
e


NL:
1.44E5
mz=
190.5-
191.5 MS
C04241
60
.
50
40
23
33

.













图5 me191质量色谱图（五环三萜烷）

.