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植烷

化合物

植烷（英語：Phytane），是植醇（一種含葉綠素骨架的化合物）失去其羥基基團後加氫還原時形成的二萜類烷烴。[2]當植烷主鏈乙基端失去一個亞甲基時，它會產生姥鮫烷。除了植醇之外，其他植烷和姥鮫烷的生成來源也有被報告提出。[3][4]

植烷
IUPAC名
2,6,10,14-四甲基十六烷
識別
CAS號 638-36-8  checkY
PubChem 12523
54081983（6R,10R）
42627075（6R,10S,14S）
446564（6S,10S,14R）
ChemSpider 12006, 393886 6S,10S,14R
SMILES
 
  • CCC(C)CCCC(C)CCCC(C)CCCC(C)C
Beilstein 1744639
EINECS 211-332-2
ChEBI 48937
MeSH phytane
性質
化學式 C20H42
摩爾質量 282.55 g·mol−1
外觀 無色液體
氣味 無味
密度 791 mg mL−1 (at 20 °C)
沸點 301.41 °C（575 K）
相關物質
相關烷
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

姥鮫烷和植烷是石油中常見的成分並已被用作堆積作用中氧化還原的參考指數，以及用於闡明石油及其形成對應源岩的關聯性調查。在環境研究中，姥鮫烷和植烷可做為調查漏油地點的指標化合物。

化學結構

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植烷是一種非極性有機化合物，在室溫下為透明無色液體。它是一種頭尾相連的規則結合的類萜單位，為正二十烷的碳鏈異構物，其分子式為 C20H42 ，示性式為(CH3)2CHCH2CH2CH2CH(CH3)CH2CH2CH2CH(CH3)CH2CH2CH2CH(CH3)CH2CH3。[2]

植烷有許多結構異構體。其中：藏花烷(英語：Crocetane)是尾對尾連接的類萜，由於其結構相似，在氣相色譜(GC) 中經常與植烷共同析出。

植烷有三個手性碳，因此也有許多立體異構體，其手性碳位置為C-6(主鏈6號碳)、C-10(主鏈10號碳) 和 C-14(主鏈14號碳)。而姥鮫烷有兩個立體碳，C-6 (主鏈6號碳)和 C-10(主鏈10號碳)。目前尚未報告使用氣相色譜法直接測量這些異構體的資料。[2]

 
甘油-1,2-二植烷基醚 (英語：Archaeol)，具有兩個植烷基。
 
α-生育酚的化學結構式.
 
2-甲基-2-(4,8,12-三甲基十三烷基)偏三甲苯並二氫吡喃（一種甲基三甲基十三烷基苯並二氫吡喃衍生物[英語：MTTCs]）的化學結構。)

植烷的取代基是植烷基。在諸如產甲烷菌和鹽桿菌的古細菌，在其膜脂質經常發現帶植烷基的化合物[4]，例如：甘油-1,2-二植烷基醚 。植烯是植烷的C-2(主鏈2號碳)、C-3位(主鏈3號碳)各失去一個氫原子的單烯烴。在許多具有生物學重要性的有機分子中，如葉綠素、生育酚（維生素 E）和葉綠醌（維生素 K1）中，也發現了植烯基官能團。植烯對應的醇是植醇。香葉基香葉烯是植烷的完全不飽和形式，其相應的取代基是香葉基香葉基。


來源

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植烷和姥鮫烷的主要來源被認為是葉綠素。[5]葉綠素是植物、藻類和藍綠菌中最重要的光合色素之一，是生物圈中含量最為豐富的四吡咯。[6]葉綠素a 、葉綠素b 、葉綠素d和葉綠素f在海洋沉積物的成岩作用或無脊椎動物攝食[7]後會釋放植醇，然後將其轉化為植烷或姥鮫烷。

 
葉綠素 a 的結構，其側鏈含有一個植烷基。

植烷和姥鮫烷的另一種可能來源是古菌醚脂質。實驗室研究表明，產甲烷菌的熱成熟作用會使二植烷基甘油醚反應生成姥鮫烷和植烷。[8][9][10]

此外，姥鮫烷可以從自生育酚[11]和甲基三甲基十三烷基苯並二氫吡喃衍生物(MTTCs)作為底物行化學反應生成。[12]

保存

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在合適的環境中，像葉綠素這樣的生物分子可以轉化並以可識別的形式保留為生物標記物。轉換期間中的成岩作用通常會導致官能團，如雙鍵和羥基的離去。

 
分別在有氧和缺氧條件下通過植醇的成岩作用形成姥鮫烷和植烷。

研究表明，在不同的氧化還原條件下，植醇通過成岩作用形成了原始烷烴和植烷。 可以在氧化條件下通過植醇氧化成植烯酸然後可以脫羧為植烯，最後還原為植烷。相比之下，植烷可能來自植醇（中間產物有二氫植醇或植烯）在相對缺氧條件下的還原和脫水而生成。[13]然而，各種生物和非生物過程可能控制葉綠素和植醇的成岩作用，確切反應機構更為複雜，因此與氧化還原條件沒有嚴格相關性。[3][4]

在未熱成熟的沉積物中，姥鮫烷和植烷具有以 6R,10S 立體化學（等量於 6S, 10R）為主的構型，這是從植醇中的 C-7 和 C-11 繼承而來的。在熱成熟過程中，C-6 和 C-10 的光學異構化導致 6R、10S、6S、10S 和 6R、10R 的混合物。[2]

地球科學化學參數

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姥鮫烷/植烷比率

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姥鮫烷/植烷比率(縮寫：Pr/Ph) 是姥鮫烷和植烷豐度的比率。它是沉積環境中氧化還原環境的指標數值。 Pr/Ph 指數基於以下假設：姥鮫烷通過氧化植醇途徑形成，而植烷通過各種還原途徑產生。[13][14]在非生物降解原油，Pr/Ph值小於0.8表示為鹹水湖到高鹽湖泊環境與蒸發鹽和碳酸鹽沉積相關的沉積環境，而貧有機質的陸源，河流和三角洲中好氧到低氧條件下沉積物通常產生的原油中姥鮫烷/植烷比率高於3。[15] 姥鮫烷/植烷比率是常用的方法，因為使用氣相色譜法可以輕鬆測量姥鮫烷和植烷的占比。

但是，應謹慎使用該指數，因為姥鮫烷和植烷可能不是由同一前體降解產生的（參見本條目中 *來源*章節）。此外，可以在還原環境條件下中通過粘土催化的植醇降解和隨後的還原會生成姥鮫烷，而非植烷。[16]此外，在油母質降解過程中，Pr/Ph 趨於增加。[17]這種變化可能是由於在早熟過程中從烴源岩中優先釋放了與硫結合的植醇所造成。[18]

姥鮫烷/正十七烷和植烷/正十八烷比率

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姥鮫烷/正十七烷 (Pr/nC17) 和植烷/正十八烷 (Ph/nC18) 有時用於對應石油及其源岩（即闡明石油形成的位置）。在開闊海洋條件下沉積的岩石中的石油顯示 Pr/nC17< 0.5，而來自內陸泥炭沼澤的石油的比率大於1。[19]

出於多種原因，應謹慎使用這些比率。Pr/nC17和Ph/nC18 都隨著石油的熱成熟度下降，因為類異戊二烯的熱穩定性不如直鏈烷烴。相比之下，生物降解會增加這些比率。因為相較於類萜，好氧菌通常偏好分解直鏈烷烴，故生物降解油與低成熟度的未降解油中，直鏈烷烴的豐度皆低於姥鮫烷和植烷。[15]

生物降解規模

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姥鮫烷和植烷比直鏈烷烴更能避免被生物降解，但其避免被生物降解的能力不如甾烷和藿烷。因此，生物標記物降解等級中：能顯著消耗並完全消除姥鮫烷的環境條件和植烷的生物降解環境等級分別為3和4。[20]

化合物特定同位素分析

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碳同位素

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原始烷烴和植烷的碳同位素組成通常反映了光合作用過程中發生的動力學同位素分餾。例如，在過去5億年以來，海洋沉積物和油中植烷的 δ13C (PDB) 已被用於重建古代大氣CO2濃度變化，這會影響與光合作用相關的碳同位素分餾。[21]在這項研究中，CO2的分壓在大氣中的最大值為1000 ppm以上，而在近現代時為410ppm。

原油中姥鮫烷和植烷的碳同位素組成也有助於縮小其可能來源範圍。來自共同前體的姥鮫烷和植烷的δ13C值相差不超過0.3‰。[22]

氫同位素

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海洋浮游植物和藻類中植醇的氫同位素組成開始時高度枯竭，δD（VSMOW）範圍值在-360 到 -280‰範圍內。[23]因為熱成熟過程中優先釋放輕同位素，原始烷烴和植烷會隨著熱成熟過程分子量逐漸變重。


案例研究：Pr/Ph 作為判斷地質為氧化環境或還原環境的方法局限性

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Pr/Ph 對來源沉積物氧化還原電位的推論應始終得到其他地球化學和地質數據的支持，例如硫含量或 C35升藿烷指數（即 C35升藿烷相對於整體C31 -C35升藿烷的豐度）。例如，印度的Baghewala-1石油的Pr/Ph低（0.9）、硫含量高（1.2wt.%）、C35升藿烷指數高，此與其烴源岩沉積過程中的缺氧情況一致。[24]

然而，僅從 Pr/Ph 比對沉積環境的含氧狀態可能會產生誤導，因為鹽度通常會主導在高鹽度環境中的 Pr/Ph值大小。在另一個例子中，在德國二疊紀含銅板岩序列沉積過程中 Pr/Ph 的降低與三甲基化 2-甲基-2-(4,8,12-三甲基十三烷基)苯並二氫吡喃，一種被認為是鹽度標記物的芳香族化合物之增加一致。[25]因此，Pr/Ph的這種降低應該表明鹽度的增加，而不是氧濃度的減少。

相關條目

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參考資料

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