一種低溫煤焦油的高分辨核磁共振研究

陳 琳，孟雪松，吳洪新，凌鳳香

（中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

在石油資源有限的情況下，發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)、提取低溫煤焦油并發(fā)展煤焦油深加工產(chǎn)品具有重要的戰(zhàn)略意義［1］。煤焦油是煤在干餾和氣化過程中副產(chǎn)的具有刺激性臭味、黑色或黑褐色、黏稠狀液體產(chǎn)品，組成結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜［2］，故對其結(jié)構(gòu)組成的探究尤為重要。雖有氣相色譜、傅里葉變換紅外光譜［3-4］等表征手段，但還不夠完善。核磁共振技術(shù)是研究復(fù)雜有機物分子結(jié)構(gòu)的有效方法［5］，尤其是對重油類復(fù)雜的物質(zhì)，更顯示出其他分析方法無可比擬的優(yōu)越性。高分辨1H NMR和13C NMR能夠直接反映出碳、氫及雜原子所處的化學(xué)環(huán)境，且不受試樣極性和揮發(fā)性的影響，分析簡便、快捷；DEPT技術(shù)（無畸變極化轉(zhuǎn)移增益法）通過采用特定的脈沖序列，得到有偶合信息增強的13C NMR譜，可將CH、CH2、CH3區(qū)分開來。因此，高分辨NMR是表征油品結(jié)構(gòu)組成的有力工具，為煤焦油結(jié)構(gòu)分析奠定了基礎(chǔ)。

筆者利用1H NMR、13C NMR和DEPT方法對一種低溫煤焦油的不同組分的結(jié)構(gòu)進行研究，旨在為煤焦油的深度利用提供技術(shù)支撐。

1 實驗部分

1.1 試樣的制備

原始試樣為新疆低溫煤焦油（DM）。先將DM通過酸堿抽提分別得到酸性組分（DMS）、堿性組分（DMJ）及中性組分（DMZ）。具體過程為：準確稱取一定量的試樣，加入正己烷溶解，以一定濃度的 NaOH 萃取，水相用 HCl中和，再用CH2Cl2反萃取，CH2Cl2的萃取物即為酸性組分。NaOH萃取后的有機相用HCl萃取，水相中加Na2CO3中和，用CH2Cl2反萃取，CH2Cl2的萃取物即為堿性組分。酸堿萃取后剩余的部分即為中性組分。將酸性組分、堿性組分、中性組分分別除去溶劑，并在一定溫度下抽真空至恒重，準確稱量，保存在充N2的磨口錐形瓶中。中性組分又通過柱分離（溶劑依次采用正己烷、二氯甲烷、三氯甲烷和甲醇）得到不同的極性組分（DMZ-1、DMZ-2、DMZ-3、DMZ-4）。

1.2 儀器與方法

所有實驗均在BRUKER AVANCEⅢ500超導(dǎo)核磁共振譜儀上進行，5mm BBO探頭。

1H NMR和13C NMR的共振頻率分別為500.13MHz和125MHz，溶劑為氘帶氯仿，TMS做內(nèi)標。其中13C NMR譜采用反門控去耦譜，加入0.05mol／L乙酰丙酮鉻Cr（acac）3作弛豫試劑，以降低NOE效應(yīng)。DEPT實驗的90°脈沖寬度為10μs，脈沖循環(huán)延遲2s，累加次數(shù)2048次。

2 結(jié)果與討論

2.1 1 H NMR譜分析

圖1是低溫煤焦油DM 經(jīng)分離得到的酸性組分、堿性組分和中性組分的1H NMR譜。

圖2是中性組分分離得到不同極性組分的1H NMR譜。

1H NMR譜中氫分布的歸屬［5］列于表1。

圖1 DM酸性組分、堿性組分和中性組分的1 H NMR譜

圖2 DM中性組分分離得到不同極性組分的1 H NMR譜

表1 核磁共振氫譜歸屬

在1H NMR譜中，依據(jù)以上氫譜的譜峰歸屬進行分段積分，并將其進行歸一化處理，可得到各類氫的分布情況，結(jié)果列于表2。

表2 各種類型氫的質(zhì)量分數(shù)

由圖1和表2可知：DMS組分中，δ＝0.5～1為芳香環(huán)γ位和γ位以遠的與碳原子相連的質(zhì)子和環(huán)烷烴質(zhì)子，質(zhì)量分數(shù)為0.0441；δ＝1～4為芳香環(huán)β碳上氫及側(cè)鏈相連的α-CH2和α-CH3，質(zhì)量分數(shù)之和為0.6375。前者與后者的比值較小，即長鏈較少，支化度低。δ＝6～9是芳香氫及酚羥基的吸收信號，說明DMS組分中含有甲基酚、二甲基酚等酚類物質(zhì)。DMJ組分中，Hγ為0.1009，Hα與Hβ之和為0.7528，前者與后者的比值較大，幾乎為DMS組分的2倍，說明堿性組分中長鏈較多，支化程度較高。從數(shù)值上看，堿性組分的芳氫含量不足酸性組分的一半。δ＝7.3左右是吡啶的特征峰［7］，表明堿性組分中含有吡啶類物質(zhì)。DMZ組分的支化度和芳氫含量都介于DMS和DMJ之間。

由圖2可知，中性組分柱分離后，DMZ-1組分脂肪區(qū)部分的吸收峰較強，芳香區(qū)部分的吸收峰較弱，δ＝1.8處出現(xiàn)少量的烯氫的峰，δ＝0.9處是不同鏈長的端基CH3基團的信號峰。整個脂肪區(qū)的吸收信號都是芳香環(huán)側(cè)鏈β和γ位及以遠的與碳原子相連的質(zhì)子和環(huán)烷烴質(zhì)子。DMZ-2餾分的脂肪區(qū)和芳香區(qū)的氫含量都明顯增加，脂肪區(qū)增加了δ＝2.1～3.9處芳環(huán)側(cè)鏈α位CH、CH2、CH3的含量。由此可見，隨著溶劑極性的增強，得到的組分的極性也相應(yīng)的增強，開始沖洗下來的主要是非極性的脂肪烴，而后出現(xiàn)了弱極性的芳香族化合物。DMZ-3組分的芳氫和脂肪烴的含量較DMZ-2都有所減少，但在δ＝4.5和5.3處出現(xiàn)了與含氧基團相連的氫，即組分中有了含氧化合物的存在。DMZ-4組分的芳氫含量和脂肪氫含量與DMZ-3組分變化不大，但δ＝4.1～5.9處出現(xiàn)了更多的與含氧基團相連的氫，可見含氧化合物的含量有所增加。由此可見，隨溶劑極性的增強，分離下來的組分中極性化合物的含量相應(yīng)的增加，符合相似相溶規(guī)律［8］。

2.2 13C NMR和DEPT譜分析

以DMZ-2為例進行13C NMR譜分析，圖3為DMZ-2的13C NMR譜和DEPT譜。DMZ各組分13C NMR譜碳的歸屬［9］及相對含量列于表3。

圖3 DMZ-2組分的13C NMR譜和DEPT譜

表3 DMZ各組分13C NMR譜歸屬及相對含量

由表3和圖3可知，DMZ-2組分在脂肪區(qū)δ＝8～25處是環(huán)烷碳和芳環(huán)甲基的吸收峰，占8.19%；δ＝25～36處是長鏈烷基與端甲基相鄰的碳，占18.95%，此區(qū)域飽和烷烴—CH2、—CH較為豐富，在δ＝26和30處分別是環(huán)—CH2和環(huán)—CH的吸收峰，可以推斷原煤芳香結(jié)構(gòu)中有較多的環(huán)—CH2和環(huán)—CH 結(jié)構(gòu)。由于脂碳中—CH、—CH2結(jié)構(gòu)與生油潛力密切相關(guān)，而—CH3、—OCH3等官能團主要傾向于生成氣體［10-11］。從數(shù)值上看，前者比后者含量多一倍以上，可以推斷此種新疆煤樣的生油潛力較大。

δ＝100～170區(qū)域是各種類型的芳香碳，含量共占71.21%，表明含有較多的芳香族化合物，且與芳香結(jié)構(gòu)上連接的烷基側(cè)鏈較短；其中δ＝118～129處是叔碳的吸收峰，所占比例最大，約為40%，同樣證明了結(jié)構(gòu)中含有大量的—CH2官能團；δ＝170～220區(qū)域內(nèi)無吸收信號，表明基本不含羧基碳和羰基碳結(jié)構(gòu)。δ＝77處是氘代氯仿中碳的信號峰。

在DEPT 45°譜中，CH、CH2、CH3峰均出現(xiàn)，且全部向上；DEPT 90°譜中只有CH峰，向上；在DEPT 135°譜中，CH、CH3峰向上，CH2峰向下。季碳信號可以從全去偶碳譜與各亞譜相比較而得到。綜合 DEPT 45°，90°，135°分析，δ＝20～36主要是長鏈烷基中—CH2的吸收峰，而季碳信號主要集中在δ＝130～158。從而可知：DMZ組分是以芳香族化合物為主，除此之外，還存在一些長鏈烷烴。

3 結(jié) 論

a.新疆低溫煤焦油結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有大量的亞甲基碳、次甲基碳等生油潛力碳，經(jīng)加工可以成為汽油、柴油等高附加值的車用燃料油；還含有大量的酚基化合物，可以用于生產(chǎn)酚類化工原料或酚油等產(chǎn)品；還可提取芳烴等有機化合物。

b.采用高分辨NMR的分析方法對低溫煤焦油進行表征，可以為確定低溫煤焦油合理加工方案提供有力的理論依據(jù)。

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