Estudo dos esteranos e identificação dos 3-alquil e 3-carboxialquil ergostanos em óleos do Campo Fazenda Belém, Bacia Potiguar. Aplicação da técnica FT-EM na avaliação da biodegradação de óleos de Pampo Sul - Bacia de Campos

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RAFAEL AUGUSTO STEFFEN

ESTUDO DOS ESTERANOS E IDENTIFICAÇÃO DOS 3-ALQUIL E

3-CARBOXIALQUIL ERGOSTANOS EM ÓLEOS DO CAMPO FAZENDA BELÉM, BACIA POTIGUAR E APLICAÇÃO DA TÉCNICA FT-EM NA AVALIAÇÃO DA

BIODEGRADAÇÃO DE ÓLEOS DE PAMPO SUL – BACIA DE CAMPOS

CAMPINAS 2017

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ESTUDO DOS ESTERANOS E IDENTIFICAÇÃO DOS 3-ALQUIL E

3-CARBOXIALQUIL ERGOSTANOS EM ÓLEOS DO CAMPO FAZENDA BELÉM, BACIA POTIGUAR. APLICAÇÃO DA TÉCNICA FT-EM NA AVALIAÇÃO DA

BIODEGRADAÇÃO DE ÓLEOS DE PAMPO SUL – BACIA DE CAMPOS

Tese de Doutorado apresentada ao Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutor em Ciências

Orientador: Prof. Dr. Francisco de Assis Machado Reis

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELO ALUNO RAFAEL AUGUSTO STEFFEN, E ORIENTADO PELO PROF DR. FRANCISCO DE ASSIS MACHADO REIS

CAMPINAS 2017

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Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas Biblioteca do Instituto de Química

Maria Lúcia Nery Dutra de Castro - CRB 8/1724

Steffen, Rafael Augusto, 1981-

St32e Estudo dos esteranos e identificação dos 3-alquil e 3-carboxialquil

ergostanos em óleos do Campo Fazenda Belém, Bacia Potiguar. Aplicação da técnica FT-EM na avaliação da biodegradação de óleos de Pampo Sul – Bacia de Campos. / Rafael Augusto Steffen. – Campinas, SP : [s.n.], 2017.

Orientador: Francisco de Assis Machado Reis.

Tese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química.

1. Biomarcador. 2. Petróleo. I. Reis, Francisco de Assis Machado. II. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Química. III. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Study of the steranes and identification of 3-alkyl and 3-carboxyalkyl ergostanes in oils from Campo Fazenda Belém, Potiguar Basin. Application of the FT-MS technique in the evaluation of the oil biodegradation from Pampo Sul – Campos Basin.

Palavras-chave em inglês: Biomarker

Petroleum

Área de concentração: Química Orgânica Titulação: Doutor em Ciências

Banca examinadora:

Francisco de Assis Machado Reis [Orientador] Sidney Gonçalo de Lima

José Arimatéia Dantas Lopes Paulo Mitsuo Imamura

Fabio Augusto

Data de defesa: 17-01-2017

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Prof. Dr. Francisco de Assis Machado Reis (Orientador) Prof. Dr. Sidney Gonçalo de Lima (UFPI)

Prof. Dr. José Arimatéia Dantas Lopes (UFPI) Prof. Dr. Paulo Mitsuo Imamura (IQ-UNICAMP) Prof. Dr. Fabio Augusto (IQ-UNICAMP)

A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.

Este exemplar corresponde à redação final da Tese de Doutorado defendida pelo aluno RAFAEL AUGUSTO STEFFEN, aprovada pela Comissão Julgadora em 17 de janeiro de 2017.

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O temor ao Senhor é o princípio do conhecimento, mas os insensatos desprezam a sabedoria e a disciplina.

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justificado através de Cristo Jesus e pela fé que mantém em meu coração a respeito da salvação da minha alma.

A minha esposa Adriana pelo amor, companheirismo, paciência e por ter me dado o maior presente, nossa filha, Maria Clara.

Aos meus pais e irmão pelo incondicional amor, apoio e amizade.

Ao professor Reis pela oportunidade, ensinamentos e confiança que sem sombra de dúvidas foram essenciais para minha formação e para conclusão desse trabalho.

À Prof. Luzia Koike pela amizade e ajuda nas atividades de laboratório a qual sempre me tratou com muito carinho e respeito.

Aos técnicos do laboratório, em especial a Maria Angélica, e aos funcionários das oficinas do instituto que sempre me atenderam e foram essências a manutenção do laboratório.

À todos os meus professores e colegas que contribuíram e contribuem para o meu aprendizado.

Aos funcionários do Instituto de Química e toda sua infraestrutura que foram indispensáveis para execução deste trabalho.

À Petrobrás pelo suporte financeiro e fornecimento de amostras. À todos que contribuíram para a realização desse trabalho.

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Realizou-se pela primeira vez a síntese de 12 biomarcadores da série 3-alquil-ergostano com as configurações 5α(H) e 5(H). Foram preparados também os biomarcadores 3-alquil-estigmastano, sintetizados pela primeira vez por nosso grupo de pesquisa, para confirmação das estruturas dos 3-carboxialquil-estigmastanos presentes nas frações ácidas do óleo. As coinjeções dos padrões sintéticos com amostras de óleos do Campo Fazenda Belém (Bacia Potiguar) permitiu confirmar as estruturas dos 3-alquil, 3-carboxialquil-ergostanos e 3-carboxialquil-estigmastanos identificados em estudos anteriores além de reportar a identificação de novos compostos.

A reanálise dos óleos permitiu, na fração neutra, atribuir 91 isômeros (αααS, αR, αS e αααR) para a série homóloga (metil, etil, propil, butil, pentil e hexil) da classe dos 3-alquil-esteranos (colestano, ergostano e estigmastano), 8 isômeros da classe 2α-metil e 4α-metil-estigmastano e 8 isômeros da classe iso-pentil-esteranos (colestano, ergostano e estigmastano). Além da identificação de 12 compostos da classe dos dinosteranos e 6 diasteranos.

As análises na fração ácida reduzida a hidrocarboneto permitiram a identificação de 132 compostos da classe dos esteranos dos quais 125 haviam sido identificados na fração neutra e 7 foram identificados apenas na fração ácida, são eles: 3α-carboximetil-5β(H),14α(H),17α(H)-ergostano(20R); 3 -carboxiisopentil-5α(H),14α(H),17α(H)-colestano(20S); 3α-carboxihexil-5β(H),14α(H),17α(H)-ergostano(20R); 3α-carboxihexil-5β(H),14α(H),17α(H)-estigmastano(20R); 3 -carboxihexil-5α(H),14β(H),17β(H)-estigmastano(20R); 3 -carboxihexil-5α(H),14β(H),17β(H)-estigmastano(20S); ácido 23,24-dimetil-colestanóico. Além do mais se detectou pela primeira vez a presença de ácidos diasteranóicos.

Realizou-se um estudo comparativo entre os resultados obtidos, através da análise por CG-EM de baixa resolução & ESI-EM de alta resolução, de três amostras de óleo do campo de Pampo Sul (Bacia de Campos) que apresentaram diferentes níveis de biodegradação. O estudo conduzido enfatizou a análise da fração polar em conjunto às tradicionais análises da fração neutra e ácida com o intuído de se obter informações complementares para a caracterização geoquímica das amostras de óleos biodegradados.

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The synthesis of 12 3-alkyl-ergostane biomarkers with both 5α (H) and 5

(H) configurations was carried out for the first time. Also the 3-alkyl-stigmastane biomarkers first synthesized by our group, were prepared to confirm the structures of these biomarkers previously identified. The co-injection of synthetic standards with oil samples from the Fazenda Belém field (Potiguar Basin) allowed to confirm the structures of the 3-alkyl, 3-carboxyalkyl ergostanes and identified 3-carboxyalkyl estigmastanes in previous studies and in addition, new compounds were identified.

A reanalysis of neutral fractions and hydrocarbons derived from acid fractions, allowed the identification of 91 isomers (αααS, αR, αS e αααR) for homologous series (methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl and hexyl) of 3-alkyl-sterans class (cholestane, ergostane and stigmastane) 8 isomers for 2α-methyl and 4α-methyl-stigmastane and 8 isomers for Iso-pentyl-steranes (cholestane, ergostane and stigmastane). In addition the identification of 12 compounds of the dinosterane class and 6 for diasteranes class.

The analysis of the acid fraction reduced to hydrocarbon allowed the identification of 132 compounds of the sterane class, which 125 had been identified in the neutral fraction and 7 were identified only in the acid fraction: 3Carboxymethyl5β(H), 14α(H), 17α(H)Ergostanoic (20R); 3carboxyisopentyl5α(H),14α(H),17α(H) -Colestanoic (20S); 3-carboxyhexyl-5β(H),14α(H),17α(H)-Ergostanoic(20R); 3-carboxyhexyl-5β(H),14α(H),17α(H)-Estigmastanoic (20R); 3-carboxyhexyl-5α(H), 14β(H),17β(H)-Estigmastanoic (20R); 3-carboxyhexyl-5α(H),14β(H),17β(H)-Estigmastane (20S) and 23,24-Dimethyl-Cholestanoic acid. In addition, the presence of diasteranoic acids was detected for the first time.

We also carried out a comparative study between CG-EM low resolution & ESI-EM high resolution analysis with, three oil samples from the field of Pampo Sul (Campos Basin) having different levels of biodegradation. This study emphasized the ESI-EM high resolution analysis of the polar fraction together with the traditional analysis of neutral and acidic fraction, to obtain additional information for geochemical characterization of the biodegraded oils.

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(Lima et. al., 2007). ... 31

Figura 2 - Esteranos encontrados em amostras de óleo da Bacia de Potiguar (Lopes, 1995). ... 32

Figura 3 - Estereoquímica 5α(H) e 5β(H) de esteranos. ... 33

Figura 4 - Mapa tectônico esquemático e distribuição geográfica dos óleos da Bacia de Potiguar

emersa, Brasil de acordo com as respectivas origens (Santos Neto et al., 1990). LAC = lacustre salino; ME = marinho evaporítico e M = óleos mistos... 34

Figura 5 - Diagrama estratigráfico da Bacia Potiguar (Pessoa Neto et al., 2007). ... 35 Figura 6 - Localização da Bacia de Campos e seus campos petrolíferos (Lima et al., 2010) indicando

o Campo de Pampo, origem das amostras estudadas. ... 36

Figura 7 – Carta estratigráfica da Bacia de Campos (Guardado et al., 2000). ... 37

Figura 8 – Seção geológica esquemática com o modelo de migração de petróleo e vias de

acumulação (Guardado et al., 1989). óleo “A” (arenitos, cretáceo inferior); óleo “B” (albiano/cenomiano, calcarenito) e óleo “C” (arenito, terciário) ... 38

Figura 9 – Modelo das figuras anexas (cópia da Figura 118 anexa) utilizadas para ilustrar a

identificação e confirmação dos compostos por coinjeção com os padrões sintéticos. Sendo: “A” - MRM (íon precursor  pico base; 386217) da mistura do padrão sintético; “B” - SIM (m/z 217) do pico base dos compostos em análise; “C” - MRM (íon precursor  pico base; 386217) na fração do óleo em estudo; “D” - MRM (íon precursor  pico base; 386217) na fração do óleo em estudo fortificada com os padrões; “E” - MRM (íon precursor  pico base; 386217) na fração do óleo em estudo fortificada duas vezes com os padrões. ... 40

Figura 10 – Sistemática de codificação utilizada para identificação dos compostos... 42

Figura 11 - Representação da estrutura do 8(H)-drimano destacando o fragmento com m/z 123. .. 45

Figura 12 - Estrutura das Séries Colestano, Ergostano e Estigmastano evidenciando as

fragmentações características que permitem a identificação de seus isômeros. ... 48

Figura 13 - Equilíbrio entre o isômero biológico (ααα20R) para os isômeros geológicos (ααα20S +

α20R + α20S) para a série estigmastano (C29) (Peters et al., 2005). ... 49

Figura 14 - Análise das transições MRM do íon molecular (m/z 400, 386 e 372)  pico base (m/z

217) para a série homóloga dos esteranos regulares. O preenchido em vermelho indica que a identificação do pico em destaque foi confirmada por coinjeção com padrão sintético (Para as análises de coinjeções ver Figura 104 e Figura 105 em anexo). ... 50

Figura 15 - Análise da amostra de óleo da fração neutra realizada através do monitoramento MRM da

transição 386  217 característica do esterano regular da série ergostano (C28). A – Amostra de óleo; B – Amostra de óleo + coinjeção do composto E004 (5β(H),14α(H),17α(H)-Ergostano(20R)). . 52

Figura 16 - Análise das transições MRM do íon molecular (m/z 414, 400 e 386)  pico base

(m/z 231) para a série homóloga dos esteranos substituídos com um grupo metil no anel A. O preenchido em vermelho indica que a identificação do pico em destaque foi confirmada por coinjeção com padrão sintético (Para as análises de coinjeções ver Figura 106 e Figura 107 em anexo). ... 53

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transição MRM (414,5  98,0) para monitoramento específico dos substituinte 24-etil-colestano e 23,24-dimetil-colestano; transição (414,5  231,2) para monitoramento específico dos substituinte e 23,24-dimetil-colestano. A identificação da estereoquímica em C5, C14, C17 e C20 bem como a posição do grupo metil (C2, C3 ou C4) foram atribuídas por comparação dos tempos de retenção relativo destes compostos publicados na literatura (Peters et al., 2005; Silva et al., 2008). ... 56

Figura 19 – Monitoramento da transição 414231 de uma amostra da fração neutra de óleo marinho

evaporítico (Formação Alagamar) da Bacia Potiguar. Os compostos 135 (S114 - 2α-Metil-5α(H),14α(H),17α(H)-estigmastano(20R,24R)) e 139 (S115 - 4α-Metil-5α(H),14α(H),17α(H)-estigmastano(20R,24R)) foram identificados através de coinjeção com padrões sintéticos. Reimpresso de Silva (2008). ... 57

(m/z 245) para a série homóloga dos esteranos substituídos com um grupo etil ou dimetil no anel A. O preenchido em vermelho indica que a identificação do pico em destaque foi confirmada por coinjeção com padrão sintético (Para as análises de coinjeções ver Figura 108 e Figura 109 em anexo). ... 59

Figura 21 - Estrutura química de um composto da classe do 4,4-dimetil-esteranos ... 60

(m/z 259) para a série homóloga dos esteranos substituídos com um grupo propil no anel A. O preenchido em vermelho indica que a identificação do pico em destaque foi confirmada por coinjeção com padrão sintético (Para as análises de coinjeções ver Figura 110 e Figura 111 em anexo). ... 63

(m/z 273) para a série homóloga dos esteranos substituídos com um grupo butil no anel A. O preenchido em vermelho indica que a identificação do pico em destaque foi confirmada por coinjeção com padrão sintético (Para as análises de coinjeções ver Figura 112 e Figura 113 em anexo). ... 66

(m/z 287) para a série homóloga dos esteranos substituídos com um grupo pentil no anel A. O preenchido em vermelho indica que a identificação do pico em destaque foi confirmada por coinjeção com padrão sintético (Para as análises de coinjeções ver Figura 114 e Figura 115 em anexo). ... 68

Figura 25 - Monitoramento da transição íon molecular  pico base (442  287) para idenficação da

série homóloga 3-n-pentil-colestano e 3-iso-pentil-colestano nas fracões neutra (“A”) e ácida do óleo (“B”). Monitoramento da transição (442  260) (“C”) característica da série colestano. ... 70

Figura 26 – Ilustração simplificada do perfil de retenção dos isômeros da série n-pentil-colestano e

iso-pentil-colestano. Extraídos da Figura 25. ... 71

(m/z 301) para a série homóloga dos esteranos substituídos com um grupo hexil no anel A. O preenchido em vermelho indica que a identificação do pico em destaque foi confirmada por coinjeção com padrão sintético (Para as análises de coinjeções ver Figura 116 e Figura 117 em anexo). ... 73

(11)

aquisição FullScan para a amostra de óleo da FZB. Sendo: "A" - Fração Neutra e "B" - Fração Ácida ... 81

Figura 31 Cromatograma de íons reconstituído (RIC – m/z 85) para as séries dos n-alcanos e ácidos

graxos (hidrocarboneto derivado de ácido). Sendo: "A" - Fração Neutra e "B" - Fração Ácida ... 82

Figura 32 - Análise das transições MRM do íon molecular (m/z 400, 386 e 372) pico base (m/z 217)

para a série 3-carboxiesteranos (analisada como esteranos regulares) na fração ácida do óleo reduzida a hidrocarboneto. O preenchido em vermelho indica que a identificação do pico em destaque foi confirmada por coinjeção com padrão sintético (Para as análises de coinjeções ver Figura 118 e

Figura 119 em anexo). ... 84

Figura 33 – Comparativo entre as análises das transições MRM do íon molecular (m/z 400, 386 e

372) pico base (m/z 217) para as séries dos esteranos regulares e dos carboxiesteranos identificadas nas análises da fração neutra (Figura 14) e da fração ácida reduzida a hidrocarboneto (Figura 32), respectivamente. Sendo: carboxicolestano (A-C27); carboxiergostano (A-C28);

carboxiestigmastano (A-C29); colestano (C27); ergostano (C28) e estigmastano (C29). ... 86

Figura 34 - Comparativo entre as análises do monitoramento em modo SIM do íon fragmento m/z 217

para as séries dos esteranos regulares e dos carboxiesteranos identificadas nas análises da fração neutra (Figura 14) e da fração ácida reduzida a hidrocarboneto (Figura 32), respectivamente. Sendo: carboxicolestano (A-C27); carboxiergostano (A-C28); carboxiestigmastano (A-C29); colestano (C27);

ergostano (C28) e estigmastano (C29). ... 87

para a série 3-carboximetil-esterano (analisada como 3-metil-esterano) na fração ácida do óleo reduzida a hidrocarboneto. O preenchido em vermelho indica que a identificação do pico em destaque foi confirmada por coinjeção com padrão sintético (Para as análises de coinjeções ver Figura 120 e

para a série 3-carboxietil-esterano (analisada como 3-etil-esterano) na fração ácida do óleo reduzida a hidrocarboneto. O preenchido em vermelho indica que a identificação do pico em destaque foi confirmada por coinjeção com padrão sintético (Para as análises de coinjeções ver Figura 122 e

para a série 3-carboxipropil-esterano (analisada como 3-propil-esterano) na fração ácida do óleo reduzida a hidrocarboneto. O preenchido em vermelho indica que a identificação do pico em destaque foi confirmada por coinjeção com padrão sintético (Para as análises de coinjeções ver Figura 124 e

para a série 3-carboxibutil-esterano (analisada como 3-butil-esterano) na fração ácida do óleo reduzida a hidrocarboneto. O preenchido em vermelho indica que a identificação do pico em destaque

(12)

para a série 3-carboxipentil-esterano (analisada como 3-pentil-esterano) na fração ácida do óleo reduzida a hidrocarboneto. O preenchido em vermelho indica que a identificação do pico em destaque foi confirmada por coinjeção com padrão sintético (Para as análises de coinjeções ver Figura 128 e

para a série 3-carboxihexil-esterano (analisada como 3-hexil-esterano) na fração ácida do óleo reduzida a hidrocarboneto. O preenchido em vermelho indica que a identificação do pico em destaque foi confirmada por coinjeção com padrão sintético (Para as análises de coinjeções ver Figura 130 e

Figura 131 em anexo). ... 101 Figura 41 - Reserva mundial de petróleo classificada por tipo de óleo ... 105 Figura 42 - Distribuição das classes de compostos nas amostras de óleo A, B e C. ... 109

Figura 43 - Gráfico de DBE versus número de carbono versus intensidade para as classes O2, N, NO

e NO2 analisador por ESI-EM. ... 110

Figura 44 - Variações na classe O2 em função do valor de DBE e do número de átomos carbono no

com a evolução do processo de biodegradação... 112

Figura 45 - Preferência dos microrganismos em depledar compostos com baixo valor de DBE e baixo

número de átomos de carbono. ... 112

Figura 46 - Consumo crescente dos n-alcanos com a evolução do processo de biodegradação. ... 114 Figura 47 - Relação entre os compostos pares e impares. ... 114 Figura 48 - Monitoramento da série metil-alquil-cicloexano através do SIM m/z 97, comportamento

semelhante observado no monitoramento do SIM m/z 83 (Lima et al., 2010). ... 116

Figura 49 - Monitoramento dos compostos de valor de DBE igual a 3 (ácidos bicíclicos saturados e

monocíclicos insaturados) versus o monitoramento do SIM m/z 123 (terpanos bicíclicos) da fração ácida reduzida a hidrocarboneto, (Lima et al., 2010). ... 117

Figura 50 - Variação entre a razão tricíclico/pentacíclico observada nas análises efetuadas na fração

neutra e ácida. ... 118

Figura 51 - Análises realizadas por ESI-EM da classe O2 com valores de DBE igual a 4 e 6. ... 119 Figura 52 - Aumento da razão tricíclico/pentacíclico com o decorrer do processo de biodegradação

(Lima et al., 2010). ... 119

Figura 53 – Esquema simplificado para obtenção dos padrões da série 3-alquil-estigmastano. ... 122

Figura 54 – Estrutura dos compostos colesterol, estigmasterol e ergosterol destacando a reatividade

das duplas ligações frente a hidrogenação catalítica. ... 123

Figura 55 – Obtenção da 5α(H)-estigmastan-3-ona e da 5(H)-estigmastan-3-ona a partir do

estigmasterol. ... 124

Figura 56 – Rota sintética definida para obtenção da 5α(H)-estigmastan-3-ona e da 5

(13)

Figura 59. Mecanismo ilustrativo da oxidação Oppenauer do Colesterol. ... 128 Figura 60. Mecanismo ilustrativos de isomerização da dupla ligação da colestenona obtida via

oxidação Oppenauer. ... 128

Figura 61. Produto de síntese da oxidação Oppenauer do ergosterol ilustrando que ocorre a

migração da dupla ∆5-6_{para ∆}4-5_{enquanto que a dupla ∆}7-8

permanece inalterada. ... 128

Figura 62. Opções de isomerização de dupla ligação ∆5-6 para ∆4-6. ... 129

Figura 63. Formação do intermediário reacional durante a isomerização da ergosta-4,7,22-trien-3-ona

(VIII) em meio ácido e sob refluxo de metanol. ... 129

Figura 64 – Obtenção da mistura de 5α(H)-ergostenona e 5(H)-ergostanona a partir do ergosterol.

... 130

Figura 65. Obtenção da 5(H)-ergostan-3-ona (XI) reproduzindo a metodologia empregada para

redução da série estigmastano. ... 131

Figura 66. Obtenção da 5(H)-ergostan-3-ona (XI) ajustando os parâmetros reacionais aumentar a

seletividade para cetona de configuração 5(H). ... 131

Figura 67 – Proposta de redução via hidrogenação catalítica do produto ergosta-4,6,22-trien-3-ona

(IX) para o produto ergosta-4,22-dien-3-ona (XII) o qual por sua vez é reduzido via reação de Birch para o produto 5(H)-ergost-22-en-3-ona (XIII). ... 132

Figura 68. Obtenção da 5(H)-ergost-22-en-3-ona (XIII). ... 133

Figura 69 – Rota sintética definida para obtenção da 5α(H)-ergostan-3-ona e da

5(H)-ergostan-3-ona a partir do ergosterol. ... 134

Figura 70 - Esquema sintético para obtenção dos compostos 3-alquil-ergostano. ... 135 Figura 71 - Estrutura das Séries Ergostano e Estigmastano evidenciando as fragmentações

características que permitem a identificação da estereoquímica dos centros quirais. ... 137

Figura 72 - Deslocamentos químicos (ppm) de 13C RMN atribuídos para os padrões 5α(H)-colestano

e 5(H)-colestano (Lopes et al., 1997 e Blunt & Sthoters, 1977). ... 138

Figura 73 - Padrões 5α(H)-colestano e 5(H)-colestano (Lopes et al., 1997) evidenciando as

interações 1,3-diaxial geradas e os deslocamento químico que sofrem significativa variação em função do tipo de fusão do anel A e B. ... 139

Figura 74 - Padrões 5α(H)-colestano e 3-metil-5α(H)-colestano (Lopes et al., 1997) evidenciando

que o acoplamento do grupo metil no C3 não desloca para campo mais alto C1 e C5 e, portanto, o grupo metil está ligado na posição equatorial (5). ... 139

Figura 75 – Representação dos fragmentos característicos e dos deslocamentos químicos (ppm) de

13

C RMN atribuídos para aos padrões S508 - 3-pentil-5α(H)-estigmastano e S608 - 3 -hexil-5α(H)-estigmastano. ... 140

Figura 76 – Representação dos fragmentos característicos e dos deslocamentos químicos (ppm) de

13_{C RMN atribuídos para ao padrão S604 - 3α-hexil-5}_

(14)

isoergostenona (ergost-4,6,22-trien-3-ona). ... 144

Figura 79 – Deslocamentos químicos (ppm) de 13C RMN atribuídos para o intermediário XII – ergosta-4,22-dien-3-ona. ... 145

Figura 80 – Deslocamentos químicos (ppm) de 13C RMN atribuídos para o intermediário XI – 5(H)-ergostan-3-ona. ... 146

Figura 81 – Deslocamentos químicos (ppm) de 13C RMN atribuídos para o intermediário XIII – 5α(H)-ergost-22-en-3-ona. ... 146

Figura 82 – Representação dos fragmentos característicos e dos deslocamentos químicos (ppm) de 13_{C RMN atribuídos para ao padrão E104 – 3α-metil-5}__{(H),14α(H),17α(H)-ergostano(20R). ... 148}

Figura 83 – Representação dos fragmentos característicos e dos deslocamentos químicos (ppm) de 13_{C RMN atribuídos para ao padrão E204 – 3α-etil-5β(H),14α(H),17α(H)-ergostano(20R). ... 149}

Figura 84 – Representação dos fragmentos característicos e dos deslocamentos químicos (ppm) de 13_{C RMN atribuídos para ao padrão E304 – 3α-propil-5β(H),14α(H),17α(H)-ergostano(20R). ... 150}

Figura 85 – Representação dos fragmentos característicos e dos deslocamentos químicos (ppm) de 13_{C RMN atribuídos para ao padrão E404 – 3α-butil-5β(H),14α(H),17α(H)-ergostano(20R). ... 151}

Figura 86 – Representação dos fragmentos característicos e dos deslocamentos químicos (ppm) de 13_{C RMN atribuídos para ao padrão E504 – 3α-pentil-5β(H),14α(H),17α(H)-ergostano(20R). ... 152}

Figura 87 – Representação dos fragmentos característicos e dos deslocamentos químicos (ppm) de 13_{C RMN atribuídos para ao padrão E604 – 3α-hexil-5}__{(H),14α(H),17α(H)-ergostano(20R). ... 153}

Figura 88 - Método de obtenção da Fração neutra (Lopes, 1999). ... 161

Figura 89 - Método de obtenção da fração hidrocarboneto derivado de ácido (Lopes, 1999; Seifert, 1969). ... 163

Figura 90 – Esquema para obtenção do padrão 3-pentil-5α(H)-estigmastano (S508). ... 165

Figura 91 – Esquema para obtenção do padrão 3-hexil-5α(H)-estigmastano (S608). ... 166

Figura 92 – Esquema para obtenção do padrão 3α-hexil-5α(H)-estigmastano (S604). ... 167

Figura 93 – Esquema para obtenção da ergosta-4,7,22-trien-3-ona (VIII). ... 168

Figura 94 – Esquema para obtenção da ergosta-4,6,22-trien-3-ona (IX). ... 169

Figura 95 – Esquema para obtenção da 5(H)-ergostan-3-ona (XI). ... 170

Figura 96 – Esquema para obtenção da 5(H)-ergostan-3-ona (XI). ... 171

Figura 97 – Esquema para obtenção da ergosta-4,22-dien-3-ona (XII) e da 5α(H)-ergost-22-en-3-ona (XIII). ... 172

Figura 98 – Esquema para obtenção dos padrões 3α-metil-5(H)-ergostano (E104) + 3 -metil-5α(H)-ergostano (E108). ... 172

Figura 99 – Esquema para obtenção dos padrões 3α-etil-5(H)-ergostano (E204) + 3 -etil-5α(H)-ergostano (E208). ... 174

Figura 100 – Esquema para obtenção dos padrões 3α-n-propil-5(H)-ergostano (E304) + 3 -n-propil-5α(H)-ergostano (E308). ... 175

(15)

pentil-5α(H)-ergostano (E508). ... 177

Figura 103 – Esquema para obtenção dos padrões 3α-hexil-5(H)-ergostano + (E604) + 3

-hexil-5α(H)-ergostano (E608). ... 178

Figura 104 - Coinjeção dos padrões da série ergostano na fração neutra do óleo da Fazenda Belém;

... 192

Figura 105 - Coinjeção dos padrões da série estigmastano na fração neutra do óleo da Fazenda

Belém; A – MRM dos padrões sintéticos; B – SIM da amostra de óleo da fração neutra; C – MRM da amostra de óleo da fração neutra; D - MRM da amostra de óleo da fração neutra fortificada com os padrões; E - MRM da amostra de óleo da fração neutra fortificada duas vezes com os padrões. .... 193

Figura 106 - Coinjeção dos padrões da série 3-metil-ergostano na fração neutra do óleo da Fazenda

Belém; A – MRM dos padrões sintéticos; B – SIM da amostra de óleo da fração neutra; C – MRM da amostra de óleo da fração neutra; D - MRM da amostra de óleo da fração neutra fortificada com os padrões; E - MRM da amostra de óleo da fração neutra fortificada duas vezes com os padrões; F - MRM da amostra de óleo da fração neutra fortificada três vezes com os padrões. ... 194

Figura 107 - Coinjeção dos padrões da série 3-metil-estigmastano na fração neutra do óleo da

Fazenda Belém; A – MRM dos padrões sintéticos; B – SIM da amostra de óleo da fração neutra; C – MRM da amostra de óleo da fração neutra; D - MRM da amostra de óleo da fração neutra fortificada com os padrões; E - MRM da amostra de óleo da fração neutra fortificada duas vezes com os padrões. ... 195

Figura 108 - Coinjeção dos padrões da série 3-etil-ergostano na fração neutra do óleo da Fazenda

Figura 109 - Coinjeção dos padrões da série 3-etil-estigmastano na fração neutra do óleo da

Figura 110 - Coinjeção dos padrões da série 3-propil-ergostano na fração neutra do óleo da

Figura 111 - Coinjeção dos padrões da série 3-propil-estigmastano na fração neutra do óleo da

Fazenda Belém; A – MRM dos padrões sintéticos; B – SIM da amostra de óleo da fração neutra; C – MRM da amostra de óleo da fração neutra; D - MRM da amostra de óleo da fração neutra fortificada

(16)

Figura 113 - Coinjeção dos padrões da série 3-butil-estigmastano na fração neutra do óleo da

Figura 114 - Coinjeção dos padrões da série 3-pentil-ergostano na fração neutra do óleo da

Figura 115 - Coinjeção dos padrões da série 3-pentil-estigmastano na fração neutra do óleo da

Figura 116 - Coinjeção dos padrões da série 3-hexil-ergostano na fração neutra do óleo da Fazenda

Belém; A – MRM dos padrões sintéticos; B – SIM da amostra de óleo da fração neutra; C – MRM da amostra de óleo da fração neutra; D – zoon na intensidade de C; E - MRM da amostra de óleo da fração neutra fortificada com os padrões; F - MRM da amostra de óleo da fração neutra fortificada duas vezes com os padrões. ... 204

Figura 117 - Coinjeção dos padrões da série 3-hexil-estigmastano na fração neutra do óleo da

Fazenda Belém; A – MRM dos padrões sintéticos; B – SIM da amostra de óleo da fração neutra; C – MRM da amostra de óleo da fração neutra; D – zoon na intensidade de C; E - MRM da amostra de óleo da fração neutra fortificada com os padrões; F - MRM da amostra de óleo da fração neutra fortificada duas vezes com os padrões. ... 205

Figura 118 - Coinjeção dos padrões da série ergostano na fração ácida do óleo da Fazenda Belém;

A – MRM dos padrões sintéticos; B – SIM da amostra de óleo da fração ácida; C – MRM da amostra de óleo da fração ácida; D - MRM da amostra de óleo da fração ácida fortificada com os padrões; E - MRM da amostra de óleo da fração ácida fortificada duas vezes com os padrões. ... 207

Figura 119 - Coinjeção dos padrões da série estigmastano na fração ácida do óleo da Fazenda

Belém; A – MRM dos padrões sintéticos; B – SIM da amostra de óleo da fração ácida; C – MRM da amostra de óleo da fração ácida; D - MRM da amostra de óleo da fração ácida fortificada com os padrões; E - MRM da amostra de óleo da fração ácida fortificada duas vezes com os padrões. ... 208

(17)

padrões; E - MRM da amostra de óleo da fração ácida fortificada duas vezes com os padrões. ... 209

Figura 121 - Coinjeção dos padrões da série 3-metil-estigmastano na fração ácida do óleo da

Fazenda Belém; A – MRM dos padrões sintéticos; B – SIM da amostra de óleo da fração ácida; C – MRM da amostra de óleo da fração ácida; D - MRM da amostra de óleo da fração ácida fortificada com os padrões; E - MRM da amostra de óleo da fração ácida fortificada duas vezes com os padrões. ... 210

Figura 122 - Coinjeção dos padrões da série 3-etil-ergostano na fração ácida do óleo da Fazenda

Figura 123 - Coinjeção dos padrões da série 3-etil-estigmastano na fração ácida do óleo da

Figura 124 - Coinjeção dos padrões da série 3-propil-ergostano na fração ácida do óleo da Fazenda

Figura 125 - Coinjeção dos padrões da série 3-propil-estigmastano na fração ácida do óleo da

Figura 126 - Coinjeção dos padrões da série 3-butil-ergostano na fração ácida do óleo da Fazenda

Figura 127 - Coinjeção dos padrões da série 3-butil-estigmastano na fração ácida do óleo da

Figura 128 - Coinjeção dos padrões da série 3-pentil-ergostano na fração ácida do óleo da Fazenda

(18)

com os padrões; E - MRM da amostra de óleo da fração ácida fortificada duas vezes com os padrões. ... 218

Figura 130 - Coinjeção dos padrões da série 3-hexil-ergostano na fração ácida do óleo da Fazenda

Figura 131 - Coinjeção dos padrões da série 3-hexil-estigmastano na fração ácida do óleo da

Figura 132 – Cromatograma e espectro de massas dos produtos da reação de hidrogenação obtidos

a partir das etapas de alquilação com brometo de n-pentila (alquilação desidratação

hidrogenação) da 5α(H)-estigmastan-3-ona (VI). Seção 7.3.1. ... 222

a partir das etapas de alquilação com brometo de n-hexila (alquilação desidratação

hidrogenação) da 5α(H)-estigmastan-3-ona (VI). Seção 7.3.2. ... 223

a partir das etapas de alquilação com brometo de n-hexila (alquilaçãodesidrataçãohidrogenação) da 5(H)-estigmast-22-en-3-ona (IV). Seção 7.3.3. ... 224

Figura 135 – Espectro de 13C RMN e DEPT 135 e 90 (600 MHz, CDCl3) do padrão S508 - 3

-pentil-5α(H)-estigmastano. ... 225

Figura 136 – Espectro de 13C RMN e DEPT 135 e 90 (600 MHz, CDCl3) do padrão S608 - 3

-hexil-5α(H)-estigmastano. ... 226

Figura 137 – Espectro de 13C RMN e DEPT 135 e 90 (600 MHz, CDCl3) do padrão S604 –

3α-hexil-5(H)-estigmastano. ... 227

Figura 138 – Cromatograma e espectro de massas do precursor ergosterol disponível

comercialmente (Fluka). ... 229

Figura 139 – Cromatograma, espectro de massas e de infravermelho do intermediário sintético

ergosta-4,7,22-trien-3-ona (VIII). ... 230

ergosta-4,6,22-trien-3-ona (IX). ... 231

ergosta-4,22-dien-3-ona (XII). ... 232

(19)

a partir das etapas de alquilação com metil lítio (alquilação desidratação hidrogenação) da mistura de 5(H)-ergost-22-en-3-ona (XI) e 5(H)-ergost-22-en-3-ona (XIII). Seção 7.4.6. ... 235

a partir das etapas de alquilação com brometo de etila (alquilação desidratação hidrogenação) da mistura de 5(H)-ergost-22-en-3-ona (XI) e 5(H)-ergost-22-en-3-ona (XIII). Seção 7.4.7. ... 236

a partir das etapas de alquilação com brometo de n-propila (alquilação desidratação

hidrogenação) da mistura de 5(H)-ergost-22-en-3-ona (XI) e 5(H)-ergost-22-en-3-ona (XIII).

Seção 7.4.8. ... 237

a partir das etapas de alquilação com brometo de n-butila (alquilação desidratação

Seção 7.4.9. ... 239

a partir das etapas de alquilação com brometo de n-pentila (alquilação desidratação

Seção 7.4.10. ... 240

a partir das etapas de alquilação com brometo de n-hexila (alquilação desidratação

Seção 7.4.11. ... 241

Figura 150 – Espectro de 13C RMN e DEPT 135 e 90 (400 MHz, CDCl3) do intermediário IX -

Isoergostenona (ergosta-4,6,22-trien-3-ona). ... 242

Figura 151 – Espectro de 13

C RMN e DEPT 135 e 90 (400 MHz, CDCl3) do intermediário XII -

ergosta-4,22-dien-3-ona. ... 243

C RMN e DEPT 135 e 90 (400 MHz, CDCl3) do intermediário XI - 5

(H)-ergostan-3-ona. ... 244

C RMN e DEPT 135 e 90 (400 MHz, CDCl3) do intermediário XIII -

5α(H)-ergost-22-en-3-ona. ... 245

C RMN e DEPT 135 e 90 (400 MHz, CDCl3) do padrão E104 –

3α-metil-5(H),14α(H),17α(H)-ergostano(20R). ... 246

Figura 155 – Espectro de 13C RMN e DEPT 135 e 90 (400 MHz, CDCl3) do padrão E204 –

3α-etil-5(H),14α(H),17α(H)-ergostano(20R). ... 247

(20)

5(H),14α(H),17α(H)-ergostano(20R). ... 250

(21)

homólogas da família do colestano, ergostano e estigmastano que serão foco de estudo deste trabalho. ... 42

Tabela 2: Compostos da classe 3-alquil-esteranos identificados e confirmados por coinjeção com

padrões sintéticos. ... 46

Tabela 3 - Lista de compostos identificados através do monitoramento do íon fragmento m/z 217

(SIM) na amostra da fração neutra do óleo. ... 51

Tabela 4 - Lista de compostos identificados através do monitoramento do íon fragmento m/z 231 na

amostra da fração neutra do óleo. ... 54

Tabela 10 - Compostos da classe 3-carboxialquil-esteranos identificados e confirmados por coinjeção

com padrões sintéticos. ... 80

Tabela 11 - Lista dos compostos identificados através do monitoramento do íon fragmento m/z 217 na

fração ácida reduzida a hidrocarboneto. ... 85

Tabela 18 - Lista dos compostos identificados e confirmados por coinjeção nos estudos realizados na

(22)

(23)

○ Representação na estrutura do hidrogênio abaixo do plano ● Representação na estrutura do hidrogênio acima do plano αααS 5α(H);14α(H);17α(H);20S (classe dos esteranos)

αR 5α(H);14(H);17(H);20R (classe dos esteranos) αS 5α(H);14(H);17(H);20S (classe dos esteranos) αααR 5α(H);14α(H);17α(H);20R (classe dos esteranos)

CG-EM Cromatografia Gasosa acoplada a Espectrometria de Massas (Quadrupolo).

CG-EM/EM Cromatografia Gasosa acoplada a Espectrometria de Massas (Triploquadrupolo).

DBE Do inglês “Double Bond equivalent” ou número de insaturação ESI Do inglês “electronspray ionization”

FT-EM Espectrômetro de massas com transformada de Fourier

FZB Fazenda Belém

ICR “Ion Cyclotron Resonance” ou ressonância ciclotrônica de íons

MRM Monitoramento de Reações Múltiplas

SIM Espectrometria de massas de íons secundários TIC Do inglês “total ion current” ou corrente total de íons.

Ts/Tm 18α(H)-22,29,30-Tris-nor-neo-hopano / 17α(H)-22,29,30-Tris-nor-hopano

UCM do inglês “Unresolved Complex Mixture” ou “Mistura complexa não resolvida”)

(24)

1.1. Importância e Origem dos Biomarcadores ... 30 1.2. Novas Classes de Biomarcadores ... 32 1.3. Aspectos Geológicos da Bacia Potiguar ... 33 1.4. Aspectos Geológicos da Bacia de Campos ... 36 1.5. Forma de apresentação dos resultados e discussões ... 38

2. CAPITULO II – Estudo dos esteranos e comprovação estrutural dos compostos da série

3-alquil-ergostano na fração neutra do óleo do Campo Fazenda Belém, Bacia Potiguar. ... 44

2.1. Introdução ... 44 2.2. Resultados e Discussão ... 47 2.2.1. Monitoramento das transições m/z 400, 386 e 372  m/z 217 para análise dos esteranos regulares. ... 48 2.2.2. Monitoramento das transições m/z 414, 400 e 386  m/z 231 para análise dos esteranos com um grupo metil ligado no anel A. ... 52 2.2.3. Monitoramento das transições m/z 428, 414 e 400  m/z 245 para análise dos esteranos com um grupo etil ou dimetil ligado no anel A... 58 2.2.4. Monitoramento das transições m/z 442, 428 e 414  m/z 259 para análise dos esteranos com um grupo propil ligado no anel A. ... 62 2.2.5. Monitoramento das transições m/z 456, 442 e 428  m/z 273 para análise dos esteranos com um grupo butil ligado no anel A. ... 64 2.2.6. Monitoramento das transições m/z 470, 456 e 442 m/z 287 para análise dos esteranos com um grupo iso-pentil ou n-pentil ligado no anel A. ... 67 2.2.7. Monitoramento das transições m/z 484, 470 e 456  m/z 301 para análise dos esteranos com um grupo hexil ligado no anel A... 72 2.3. Conclusões do estudo da fração neutra ... 74

3. CAPITULO III – Estudo dos esteranos e comprovação estrutural dos compostos da série

3-carboxialquil esteranos na fração ácida do óleo do Campo Fazenda Belém, Bacia Potiguar. .... 77

3.1. Introdução ... 77 3.1.1. Ácidos esteranóicos saturados no petróleo ... 78 3.2. Resultados e Discussão ... 80 3.2.1. Monitoramento das transições m/z 400, 386 e 372  m/z 217 para análise dos ácidos esteranóicos regulares. ... 83 3.2.2. Monitoramento das transições m/z 414, 400 e 386  m/z 231 para análise dos ácidos 3-carboximetil-esteranóicos. ... 88 3.2.3. Monitoramento das transições m/z 428, 414 e 400  m/z 245 para análise dos ácidos 3-carboxietil-esteranóicos. ... 91 3.2.4. Monitoramento das transições m/z 442, 428 e 414  m/z 259 para análise dos ácidos 3-carboxipropil-esteranóicos. ... 93 3.2.5. Monitoramento das transições m/z 456, 442 e 428  m/z 273 para análise dos ácidos 3-carboxibutil-esteranóicos. ... 95

(25)

3.3. Conclusões do estudo da fração ácida ... 102

4. CAPITULO IV – Estudo da fração polar do óleo da Bacia de Campos através da

espectrometria de massas de alta resolução (ESI-EM). ... 105

4.1. Introdução ... 105 4.1.1. Estudo do processo de biodegradação da fração polar em óleos da Bacia de Campos .. 107 4.1.2. Análise por ESI-EM de alta resolução ... 108 4.2. Resultados e Discussão ... 109 4.2.1. Classe dos compostos carboxilados (O2) ... 111 4.2.2. Classe dos compostos carboxilados (O2) – DBE 1 ... 113 4.2.3. Classe dos compostos carboxilados (O2) – DBE 2 ... 115 4.2.4. Classe dos compostos carboxilados (O2) – DBE 3 ... 117 4.2.5. Classe dos compostos carboxilados (O2) – DBE 4 e 6 ... 118 4.3. Conclusões ... 120

5. CAPITULO V – Síntese dos padrões da série 3-alquil-esteranos. ... 122

5.1. Introdução ... 122 5.2. Resultados e Discussões ... 124 5.2.1. Síntese dos padrões da série 3-alquil-estigmastano ... 124 5.2.1.1. Síntese das cetonas de configuração 5α(H) e 5(H). ... 124 5.2.1.2. Reações de alquilação. ... 125 5.2.2. Síntese dos padrões da série 3-alquil-ergostano ... 127 5.2.2.1. Síntese das cetonas de configuração 5α(H) e 5(H). ... 130 5.2.2.2. Etapas para alquilação ... 134 5.2.3. Caracterização dos produtos ... 136 5.2.3.1. Intermediários de síntese (seção 5.2.1.1) dos padrões da série 3-alquil-estigmastano e padrões S108, S204, S208, S308 e S408. ... 140 5.2.3.2. Padrões S508 - 3-pentil-5α(H)-estigmastano e S608 - 3-hexil-5α(H)-estigmastano. 140 5.2.3.3. Padrão S604 - 3α-hexil-5(H)-estigmastano. ... 141 5.2.3.4. Precursor comercial VII - Ergosterol. ... 142 5.2.3.5. Intermediário VIII - Ergostenona (ergosta-4,7,22-trien-3-ona). ... 142 5.2.3.6. Intermediário IX - Isoergostenona (ergosta-4,6,22-trien-3-ona). ... 143 5.2.3.7. Intermediário XII - Ergosta-4,22-dien-3-ona. ... 144 5.2.3.8. Intermediário XI - 5(H)-ergostan-3-ona. ... 145 5.2.3.9. Intermediário XIII - 5α(H)-ergost-22-en-3-ona. ... 146 5.2.3.10. Padrões da série ergostano. Padrões: E104, E108, E204, E208, E304, E308, E404, E408, E504, E508, E604 e E608. ... 147

(26)

5.2.3.14. Padrão E404 – 3α-butil-5β(H),14α(H),17α(H)-ergostano(20R). ... 150 5.2.3.15. Padrão E504 – 3α-pentil-5β(H),14α(H),17α(H)-ergostano(20R). ... 151 5.2.3.16. Padrão E604 – 3α-hexil-5(H),14α(H),17α(H)-ergostano(20R). ... 152 5.3. Conclusões Parciais ... 153

6. CONCLUSÕES FINAIS... 155

7. EXPERIMENTAL ... 158

7.1. Equipamentos, reagentes e solventes. ... 158 7.1.1. Cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massas tipo quadrupolo (CG-EM) 158 7.1.2. Cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massas tipo triplo quadrupolo (CG-EM/EM) 158

7.1.3. Espectroscopia de absorção no Infravermelho ... 159 7.1.4. Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) ... 159 7.1.5. Ionização por electronspray acoplado a analisador de massas de alta resolução (ESI-LTQ-Orbitrap) 159

7.1.6. Preparação do PCC/Al2O3 ... 160 7.2. Obtenção e derivatização das amostras de petróleo ... 160 7.2.1. Amostras ... 160 7.2.2. Análise dos compostos neutros ... 161 7.2.3. Análise dos compostos ácidos... 162 7.3. Síntese dos padrões da série estigmastano. ... 164 7.3.1. Obtenção do padrão 3-pentil-5α(H)-estigmastano (S508) ... 165 7.3.2. Obtenção do padrão 3-hexil-5α(H)-estigmastano (S608)... 166 7.3.3. Obtenção do padrão 3α-hexil-5(H)-estigmastano (S604)... 167 7.4. Síntese dos intermediários e padrões da série ergostano. ... 168 7.4.1. Oxidação de Oppenauer – Obtenção da ergosta-4,7,22-trien-3-ona (VIII) ... 168 7.4.2. Isomerização – Obtenção da ergosta-4,6,22-trien-3-ona (IX). ... 169 7.4.3. Hidrogenação para a série 5β(H) – Obtenção da 5(H)-ergostan-3-ona (XI). ... 170 7.4.4. Oxidação com PCC/Al2O3 – Obtenção da 5(H)-ergostan-3-ona (XI)... 171 7.4.5. Redução de Birch – Obtenção da ergosta-4,22-dien-3-ona (XII) e da 5 (H)-ergost-22-en-3-ona (XIII). ... 172 7.4.6. Obtenção dos padrões 3α-metil-5(H)-ergostano (E104) + 3-metil-5α(H)-ergostano (E108). 172

7.4.7. Obtenção dos padrões 3α-etil-5(H)-ergostano (E204) + 3-etil-5α(H)-ergostano (E208). 174

7.4.8. Obtenção dos padrões 3α-n-propil-5(H)-ergostano (E304) + 3-n-propil-5α(H)-ergostano (E308). 175

(27)

7.4.11. Obtenção dos padrões 3α-hexil-5(H)-ergostano (E604) + 3-hexil-5α(H)-ergostano (E608). 178

8. REFERÊNCIAS ... 180

9. ANEXO – Identificação e confirmação dos compostos por coinjeção com padrões

sintéticos – Fração Neutra ... 191

10. ANEXO – Identificação e confirmação dos compostos por coinjeção com padrões

sintéticos – Fração Ácida ... 206

11. ANEXO – Caracterização dos padrões sintéticos da série Estigmastano. ... 221

12. ANEXO – Caracterização dos padrões e intermediários sintéticos da série Ergostano. 228

(28)

Capítulo I – Introdução

(29)

1. CAPÍTULO I – Introdução

A geoquímica integra os conhecimentos da geologia e da química para explicar os mecanismos e processos naturais da terra. Dentre as diversas disciplinas que compõe a geoquímica destaca-se a geoquímica orgânica a qual tem por objetivo o estudo da origem, migração, acumulação, exploração e produção do petróleo e outros combustíveis fósseis, da arqueologia e mais recentemente no apoio a diversas vertentes envolvendo o meio ambiente.

A Geoquímica Orgânica na exploração do petróleo e gás tem por objetivo a caracterização dos óleos, gases naturais e rochas geradoras. Embora seu foco principal tenha sido a exploração, mais recentemente tem crescido o desenvolvimento de estudos geoquímicos visando a busca por soluções tecnológicas de problemas associados à produção e ao meio ambiente.

No estudo de sistemas petrolíferos a determinação de carbono orgânico total e a pirólise de Rock-Eval aportam informações fundamentais sobre as rochas e seu potencial gerador de óleo e gás. A partir dai a geoquímica molecular, em particular o estudo dos biomarcadores permite a um só tempo correlacionar óleo-rocha geradora, óleo-óleo, determinar a origem da matéria orgânica, o nível de evolução térmica, interpretação do paleoambiente e alterações pós-genéticas (biodegradação).

Peça essencial na geoquímica orgânica, os biomarcadores também chamados de marcadores biológicos ou fósseis químicos, são compostos cujas estruturas podem ser correlacionadas com compostos oriundos de organismos vivos que lhe deram origem. A distribuição de biomarcadores nos sedimentos fornece uma reserva única de informações sobre os processos biogeoquímicos ocorridos no passado geológico e como estes processos responderam a mudanças ambientais.

Variações nas estruturas e nas quantidades relativas dos biomarcadores fornecem importantes informações para tomadas de decisões em todas as fases do aproveitamento do petróleo e gás, que envolvem a avaliação da bacia, a prospecção, a descoberta, o desenvolvimento, a produção, a recuperação assistida, entre outros.

Como exemplo, pode-se citar a perfuração aleatória, na qual, o emprego da geofísica rende uma eficiência de 28% nas previsões, enquanto as avaliações conjuntas da geofísica e da geoquímica fornecem uma eficiência de 63%. Assim, o

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emprego da geoquímica é uma ferramenta eficaz que pode reduzir os riscos da exploração além de, previamente, fornecer informações a respeito da qualidade comercial do petróleo e, desta forma, tem sido de grande importância nas decisões exploratórias e na estratégia das companhias petrolíferas.

1.1. Importância e Origem dos Biomarcadores

O petróleo é uma mistura extremamente complexa. O óleo bruto é composto por hidrocarbonetos saturados e insaturados e compostos com heteroátomos (tais como N, S e O), bem como uma pequena porcentagem de metais. A fração de hidrocarboneto pode ser alta, como, por exemplo, 90% em óleos leves, comparado com 70% em óleos pesados (Mullins et al., 2007). A origem do petróleo dá-se a partir de transformações da matéria orgânica acumulada nas rochas sedimentares, quando são submetidas as condições adequadas de temperatura e pressão ao longo do tempo geológico (Tissot & Welte, 1978).

Na perspectiva do estudo de amostras geológicas, biomarcadores são compostos orgânicos que ocorrem como misturas complexas, encontrados em petróleo e em extratos de rochas e sedimentos. Suas estruturas moleculares podem ser correlacionadas a conhecidos produtos naturais, originários, principalmente, de plâncton, bactérias e vegetais superiores, os quais sofreram transformações provocadas por processos termoquímicos preservando, no entanto, seus esqueletos carbônicos básicos (Philp, 1985, Mello, 1988, Peters & Moldowan, 1993).

Embora representem apenas uma ínfima fração do petróleo e da matéria orgânica presente nos sedimentos, os biomarcadores são de grande importância para a geoquímica orgânica. Sua utilização na exploração do petróleo tem aumentado sobremaneira em importância e aplicabilidade. A composição química, o conteúdo relativo e a variação na estereoquímica de determinados compostos servem como uma “impressão digital”, fornecendo informações acerca da origem (Brocks et al., 2003), ambiente deposicional e paleoecologia (Holba & Dzou, 2004), estágio de evolução térmica (Tolosa et al., 2004), nível de biodegradação (Cmiel & Fabianska, 2004) e paleontologia molecular (Waggoner, 2001).

Os esteranos constituem um grupo de biomarcadores fundamentais na geoquímica orgânica. Eles são formados a partir da redução de esteróides, presentes em organismos eucariontes, incorporados aos sedimentos. A complexidade da distribuição de esteranos em uma amostra geológica é afetada por

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diferenças de fonte; variações devidas ao grau de evolução térmica da matéria orgânica e fatores pós-genéticos tais como biodegradação.

Os principais esteranos encontrados em sedimentos e óleos, também chamados de esteranos normais são: colestanos (C27); ergostanos (C28) e estigmastanos (C29), entretanto existem compostos desde C18 até C30 (Dahl et al., 1992; Mackenzie et al., 1981; Huang & Meinschein, 1979). Há também os produtos provenientes de reações termoquímicas dos esteranos normais, os diasteranos e esteranos aromáticos.

Os esteranos, provenientes de algas e/ou animais, gerados durante o processo de formação do petróleo, por exemplo, podem sofrer as modificações estruturais mostradas na Figura 1. Com o aumento da maturação do óleo, os hidrogênios nas posições 5, 14, 17 e 20 são isomerizados para as configurações mais estáveis, resultando em uma razão 20S:20R: 20R: 20S igual a 1:1:3:3 (Peters & Moldowan 1993). Assim, esta razão pode ser usada como parâmetro de maturidade e/ou biodegradação.

Figura 1 - Transformação do colesterol em biomarcadores da série colestano durante a diagênese

(Lima et. al., 2007).

O H H H 5 14 17 3 20 H H H H H H H H H H H H H H H 5H,14H,17H-colestano(20S) 5H,14H,17H-colestano(20R) 5H,14H,17H-colestano(20R) 5H,14H,17H-colestano(20S) 5H,14H,17H-colestano(20R) Colesterol

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Em anos recentes, o estudo sistemático da composição orgânica dos sedimentos e do petróleo teve um desenvolvimento significativo, principalmente devido ao surgimento de novas técnicas instrumentais, tais como CG-EM/EM, que propiciam a caracterização molecular em micro quantidades de misturas orgânicas altamente complexas, possibilitando contornar problemas relacionados com a co-eluição e obter informações mais confiáveis sobre a identidade e quantidade dos biomarcadores. Entretanto, todos estes métodos instrumentais não eliminam a necessidade da síntese de padrões de estrutura completamente definida e suas coinjeções com amostras geológicas propiciando assim a total identificação destes biomarcadores.

1.2. Novas Classes de Biomarcadores

Trabalhando em óleos marinho evaporíticos da Bacia Potiguar, Lopes (1995) identificou uma grande família de biomarcadores constituídas de 3-alquil-esteranos e 3-carboxialquil-3-alquil-esteranos em óleos do Campo Fazenda Belém. Esses esteranos (Figura 2) podem ser divididos entre três classes: (1) colestanos, (2) ergostanos (24-metil colestanos) e (3) estigmastanos (24-etil colestanos).

H R H R H R

Colestano Ergostano Estigmastano

20 24

5 3

Figura 2 - Esteranos encontrados em amostras de óleo da Bacia de Potiguar (Lopes, 1995).

Uma característica desses compostos é que o hidrogênio ligado ao carbono cinco pode apresentar estereoquímica α ou  (Figura 3). Os resultados apresentados no trabalho de Lopes e colaboradores (1995) teve importante contribuição para a literatura pois, além de identificar os esteranos com estereoquímica 5α(H) usuais em eucariotas, principalmente algas e vegetais superiores, os autores encontraram também os compostos da série 5β(H). Compostos com esta estereoquímica são muito raros, estando presente em ácidos biliares e coprostano, são substâncias ausentes nos organismos vivos, sendo

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amplamente reconhecidos como fonte da matéria orgânica que contribuem para a formação de petróleo e gás.

Figura 3 - Estereoquímica 5α(H) e 5β(H) de esteranos.

Summons e Cappon (1998 e 1991) foram os primeiros a relatar a identificação do 3-metil e 3-etil-esterano. Dany e colaboradores (1992) e Barakat e Rullukoter (1994) relataram a identificação de 3-carboxi esteranos e Dahl e colaboradores (1992 e 1995) relataram a identificação de diversos alquil-esteranos.

Em nosso grupo de geoquímica, no entanto, relatamos toda uma série de alquil e carboxialquil esteranos com a estereoquímica 5α(H), mais usual na biosfera, bem como toda a série com estereoquímica 5β(H), a qual até o presente somos os únicos a relatar (Lopes et al., 1992; 1994; 1997 e 1999). A identificação foi efetuada por fragmentação em estudos de GC/MS e GC/MS/MS e confirmadas por coinjeção com padrões sintetizados em nosso laboratório (Lopes, 1995, Lopes et al., 1997 e Lima, 2005). Nestes trabalhos nosso grupo confirmou a presença de compostos com estereoquímica 5α(H) e 5β(H), da família dos colestanos e da família estigmastano, sendo que nessa última família, somente as frações neutras dos óleos foram analisadas, restando assim, necessária a comprovação de todas as estruturas dos carboxialquil-estigmastanos, presentes nas frações ácidas. Já para a família ergostano não foram feitas as sínteses dos biomarcadores padrão e, consequentemente, as coinjeções para identificação e confirmação das estruturas. Neste trabalho foram realizados todos os estudos ausentes mencionados acima.

1.3. Aspectos Geológicos da Bacia Potiguar

A Bacia Potiguar se estende pelo litoral do estado do Rio Grande do Norte e Ceará, ocupando uma área de 48000 km2, dos quais 21400 km2 estão no continente (Onshore). É uma Bacia do tipo rift, formada em resposta a separação das plataformas da América do Sul e África (Santos Neto et al.,1990). Os óleos encontrados nesta bacia apresentam características geoquímicas variadas em decorrência da matéria orgânica preservada nos diferentes ambientes deposicionais.