Structure and Electronic Characteristics of Oil Asphaltenes of the Continental Type

Abstract

СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТЯНЫХ АСФАЛЬТЕНОВ «КОНТИНЕНТАЛЬНОГО» ТИПАКлючевые слова: нефтяные асфальтены; методы квантовой химии; метод молекулярной механики; потенциал ионизации; сродство к электрону; структура нефтяных асфальтенов; молекулы асфальтенов «континентального» типа.Введение. Асфальтены содержатся в нефти (до 0,1-45% по массе), природных асфальтах и битумах (до 73%), в высококипящих фракциях процессов нефтепереработки (до30% масс.) [1,2]. Элементный анализ показал, что асфальтены содержат до 88% углерода, до 10% водорода и до 14% гетероатомов: кислорода, азота, серы и металлов [3]. Установлено, что в макромолекулах асфальтенов содержатся ароматические ядра различного размера (от моно-до пентациклических и более) с преобладанием небольших ядер. Гетероатомы содержатся во фрагментах макромолекул асфальтенов: атомы N содержатся в гетероароматических фрагментах пиридинного, пиррольного и порфинного (металло-комплексного) характера [4]; атомы S -в форме сульфидных, тиольных групп и в составе тиофенных циклов; атомы О -в виде гидроксильных (фенольных, спиртовых), карбоксильных, эфирных, карбонильных групп и фурановых колец.Согласно различным исследованиям [5][6][7] асфальтены в растворе толуола при концентрации выше 100 мг/л образуют молекулярные частицы в виде отдельных нафтено-ароматических плоских конденсированных структур, имеющих боковые алкильные заместители с молекулярными массами от 400 до 1200 а.е.м., а при более высокой концентрации наночастицы находятся в виде агрегатов из 8-10 молекул [5,6]. На сегодняшний день приняты две модели агрегации асфальтенов -модели «континентального» типа и структуры типа «архипелаг» [8,9]. Основой молекул асфальтенов «континентального» типа является ядро из конденсированных ароматических колец, окруженное алифатической периферией [9]. Молекулы асфальтенов типа «архипелаг» состоят из нескольких групп конденсированных колец, связанных между собой короткими алифатическими боковыми цепочками [10,11]. Предполагается, что асфальтеновые наноагрегаты формируются из молекул именно «континентального» типа [7]. В случае молекул типа ≪архипелаг≫ образование подобных наноагрегатов (стэкинг-структур) маловероятно. За последние 10 лет были получены многочисленные экспериментальные доказательства иерархической структуры асфальтенов, а также «континентального» строения их молекул. Принципиальное отличие заключается в том, что молекулы, имеющие структуру «континентального» типа, путем стэкинг-взаимодействия ароматических ядер могут образовывать стопкообразные наноагрегаты.