دراسة الخصائص البنائية للمركبات الحاوية على النيتروجين في قطران التحلل الحراري المشترك للفحم منخفض الرتبة باستخدام تحليل 1H-15N HMBC

لماذا تهم كيمياء قطران الفحم في الحياة اليومية

قد يبدو قطران الفحم ناتجًا صناعيًا قذرًا، لكن داخل هذا السائل الداكن تكمن خزينة من الجزيئات المحتوية على النيتروجين التي تشكّل أساسًا للأدوية والأصباغ ومواد حماية المحاصيل والمواد المتقدمة. العديد من هذه المركبات يصعب تصنيعها في المصانع، ومع ذلك تتكوّن طبيعيًا عندما يتحلل الفحم عند درجات حرارة عالية. تُظهر هذه الدراسة طريقة جديدة لرسم خريطة سريعة لأنواع الجزيئات الحاملة للنيتروجين الموجودة في قطران الفحم، مما يفتح أبوابًا لوقود أنظف ومواد كيميائية ذات قيمة أعلى وسيطرة أفضل على التلوث الناجم عن استخدام الفحم.

تحويل الفحم منخفض الرتبة إلى خليط كيميائي غني

بدأ الباحثون بفحم منخفض الرتبة وغني بالزيوت من منطقة منجم هونغليولين وسخّنوه مع كلوريد الأمونيوم في مفاعل أنبوبي صغير، وهي عملية تُعرف بالتحلل الحراري المشترك. عند 600 °م، تتجزأ قطع الفحم وتعاد تنظيمها، مطلقة أبخرة تتكثف إلى سائل لزج يُسمى القطران. بإضافة كلوريد الأمونيوم العادي والموسوم نظيريًا (كمصدر للنيتروجين)، دفعوا النيتروجين عمدًا إلى الجزيئات المتشكلة، مكوِّنين قطرانًا غنيًا خصيصًا بالمركبات الحاوية على النيتروجين. تحاكي هذه المقاربة كيف تحول الطبيعة المادة النباتية المدفونة إلى خليطات عضوية معقدة، لكن في ظروف مخبرية محكمة تتيح دراسة المنتجات تفصيليًا.

الاستماع لذرات النيتروجين بأذان مغناطيسية متقدمة

الأدوات التقليدية مثل تحليل الغازات مطبوعًا بالطيف الكتلي قوية لفصل ووزن الجزيئات، لكنها تواجه صعوبة عندما تبدو العديد منها متشابهة تقريبًا، كما في حالة القطران. اعتمد الفريق بدلًا من ذلك على الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، الذي يكتشف كيف تستجيب النوى الذرية في مجال مغناطيسي قوي. بدلاً من الاعتماد على الإشارات المكتظة للهيدروجين والكربون فحسب، استخدموا تجربة ثنائية الأبعاد تسمى 1H–15N HMBC التي تربط مباشرة ذرات الهيدروجين بالنيتروجين عبر عدة روابط كيميائية. من خلال تزويد النظام بكلوريد أمونيوم موسوم بالـ15N، ضاعفوا إشارة النيتروجين، مما جعل من الممكن "سماع" الفروق الدقيقة بين مواقع النيتروجين التي كانت ستذهب هباءً لولا ذلك.

خريطة بأربعة أرباع لفك شفرة خليط فوضوي

لفهم أنماط NMR الكثيفة، أنشأ العلماء خريطة بصرية بسيطة: رسم ثنائي المحاور لإشارات الهيدروجين والنيتروجين مقسومًا إلى أربعة أرباع. قبل تحليل القطران، قاسوا مجموعة من الجزيئات المرجعية—أمينات بسيطة، البيريدين، الكينولين، وغيرها—لتعلم أي مناطق الخريطة تتوافق مع أي بيئات نيتروجينية. عندما وضعوا طيف القطران الغني بالنيتروجين فوقها، استطاعوا بسرعة رؤية أماكن تركز معظم الإشارات. الربع الأول أشار إلى الأمينات الأليفاتية والحلقات غير العطرية المكونة من ستة ذرات مثل البيبيريدين، تتكوّن عندما تتفاعل سلاسل طويلة مشتقة من الفحم وحلقات نباتية مع جذور النيتروجين عند درجة حرارة عالية. أما الربع الثاني فكشف عن كميات أصغر من الأمينات العطرية مثل الأنيلينات والنفتيلامينات، المبنية من حلقات البنزين والنافثالين في الفحم.

كشف حلقات النيتروجين المخفية داخل قطران الفحم

كشف النصف السفلي من الخريطة قصة مختلفة: حلقات يكون النيتروجين جزءًا من بنية الحلقة نفسها. الإشارات الممتدة عبر الربع الثالث وخاصة الرابع أشارت إلى حلقات متغايرة الخماسي والسداسي تحتوي على النيتروجين، بما في ذلك البيرول، البيرولين، البيريدين، الكينولين والهياكل ذات الصلة. ظهرت العديد من هذه الحلقات مع سلاسل جانبية كربونية إضافية أو ذرات أكسجين، مما يدل على أنها نشأت من شظايا نباتية حاملة للأكسجين في الفحم—مثل السليلوز واللجنين—التي تشكل أولاً هياكل تشبه الفوران ثم تتفاعل مع جذور النيتروجين. عندما تقاطعت تعييناتهم المستندة إلى NMR مع بيانات تحليل الغازات مطبوعًا بالطيف الكتلي، حددوا 27 مركبًا نيتروجينيًا مميزًا وأكدوا أن معظم النيتروجين في القطران—حوالي 88 بالمئة—يقع في مثل هذه الحلقات المتغايرة، بينما حصة صغيرة فقط توجد في أمينات أبسط.

ماذا يعني هذا لطاقة أنظف ومواد كيميائية مفيدة

بعبارات بسيطة، بنى المؤلفون طريقة سريعة لـ"بصمة" التركيب للمركبات النيتروجينية في مادة معروفة بالفوضى الكيميائية. باستخدام 1H–15N HMBC وخريطة بأربعة أرباع، يمكنهم بسرعة تحديد أي العائلات العريضة من جزيئات النيتروجين موجودة في قطران الفحم ومدى وفرتها، دون الحاجة لعزل كل مركب على حدة. تظهر نتائجهم أن النيتروجين في قطران التحلل الحراري المشترك يهيمن عليه الحلقات المتغايرة الشكل المشتقة من المادة النباتية التي شكلت الفحم أصلاً. يمكن أن تساعد هذه المعرفة المهندسين على ضبط شروط التحلل الحراري لصالح منتجات مرغوبة، تحسين إزالة الأنواع النيتروجينية المسببة للمشكلات من الوقود، والاستفادة من قطران الفحم كمصدر أكثر استدامة لبنّاءات نيتروجينية معقدة للأدوية والمواد.

الاستشهاد: Zhang, Y., Chen, P., Shi, G. et al. Study on the structural characteristics of nitrogen-containing compounds in co-pyrolysis tar of low rank coal using ¹H-¹⁵N HMBC analysis. Sci Rep 16, 12314 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41962-w

الكلمات المفتاحية: قطران الفحم, حلقيات نيتروجين متغايرة الذرة, التحلل الحراري, مطيافية الرنين المغناطيسي النووي, التوصيف الكيميائي