Étude des caractéristiques structurelles des composés azotés dans le goudron de co-pyrolyse du charbon de faible grade par analyse 1H-15N HMBC

Pourquoi la chimie du goudron de charbon compte dans la vie quotidienne

Le goudron de charbon peut évoquer un sous-produit industriel sale, mais à l’intérieur de ce liquide sombre se cache un véritable trésor de molécules contenant de l’azote qui sont à la base de médicaments, de colorants, d’agents de protection des cultures et de matériaux avancés. Beaucoup de ces composés sont difficiles à synthétiser industriellement, pourtant ils se forment naturellement quand le charbon se décompose à haute température. Cette étude présente une nouvelle méthode pour cartographier rapidement les types de molécules azotées présentes dans le goudron de charbon, ouvrant la voie à des carburants plus propres, à des produits chimiques de plus grande valeur et à un meilleur contrôle de la pollution issue de l’usage du charbon.

Transformer du charbon de faible grade en une soupe chimique riche

Les chercheurs ont commencé avec un charbon de faible grade, riche en huile, provenant de la zone minière de Hongliulin, et l’ont chauffé avec du chlorure d’ammonium dans un petit réacteur tubulaire — un procédé appelé co-pyrolyse. À 600 °C, le charbon se fragmente et se réorganise, libérant des vapeurs qui refroidissent en un liquide visqueux appelé goudron. En ajoutant à la fois du chlorure d’ammonium ordinaire et étiqueté isotopiquement (source d’azote), ils ont volontairement introduit de l’azote dans les molécules en formation, produisant un goudron particulièrement riche en composés azotés. Cette approche imite la transformation naturelle de la matière végétale enfouie en mélanges organiques complexes, mais dans des conditions de laboratoire contrôlées qui permettent d’étudier les produits en détail.

Écouter les atomes d’azote avec des « oreilles » magnétiques avancées

Des outils classiques comme la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse sont puissants pour séparer et peser des molécules, mais ils peinent quand beaucoup d’espèces se ressemblent, comme c’est le cas dans le goudron. L’équipe s’est donc appuyée sur la résonance magnétique nucléaire (RMN), qui détecte la réponse des noyaux atomiques dans un champ magnétique intense. Plutôt que de se limiter aux signaux congestionnés de l’hydrogène et du carbone, ils ont utilisé une expérience bidimensionnelle appelée 1H–15N HMBC qui relie directement les atomes d’hydrogène aux atomes d’azote à travers quelques liaisons chimiques. En alimentant le système en chlorure d’ammonium enrichi en 15N, ils ont amplifié le signal d’azote, rendant possible « d’entendre » des différences subtiles entre sites azotés autrement noyées dans le bruit.

Une carte en quatre quadrants pour décoder un mélange encombré

Pour interpréter les motifs denses de la RMN, les scientifiques ont créé une carte visuelle simple : un tracé à deux axes des signaux d’hydrogène et d’azote divisé en quatre quadrants. Avant d’analyser le goudron, ils ont mesuré un ensemble de molécules de référence — amines simples, pyridine, quinoléine et d’autres — pour déterminer quelles régions de la carte correspondent à quels environnements azotés. En superposant le spectre du goudron riche en azote, ils ont pu voir rapidement où la plupart des signaux se regroupaient. Le premier quadrant indiquait la présence d’amines aliphatique et d’anneaux non aromatiques à six membres tels que la pipéridine, formés lorsque de longues chaînes dérivées du charbon et des cycles d’origine végétale réagissent avec des radicaux azotés à haute température. Le deuxième quadrant révélait de plus faibles quantités d’amines aromatiques comme les anilines et les naphtylamines, issues des noyaux benzéniques et naphtaléniques présents dans le charbon.

Découvrir des cycles azotés cachés dans le goudron de charbon

La moitié inférieure de la carte racontait une autre histoire : des cycles où l’azote fait partie intégrante du squelette cyclique. Les signaux répartis sur le troisième et surtout le quatrième quadrant indiquaient des hétérocycles azotés à cinq et six membres, comprenant le pyrrole, la pyrroline, la pyridine, la quinoléine et des structures apparentées. Beaucoup de ces cycles apparaissaient avec des chaînes latérales carbonées ou des atomes d’oxygène supplémentaires, ce qui suggère qu’ils proviennent de fragments végétaux oxygénés dans le charbon — tels que cellulose et lignine — qui forment d’abord des structures de type furane puis réagissent avec des radicaux azotés. En recoupant leurs attributions basées sur la RMN avec des données de chromatographie en phase gazeuse–spectrométrie de masse, ils ont identifié 27 composés azotés distincts et confirmé que la majeure partie de l’azote du goudron — environ 88 % — se trouve dans de tels cycles hétérocycliques, une faible part étant présente sous forme d’amines plus simples.

Ce que cela signifie pour une énergie plus propre et des produits chimiques utiles

En termes simples, les auteurs ont mis au point une méthode rapide de « empreinte » structurale des composés azotés dans un matériau notoirement complexe. En utilisant la RMN 1H–15N HMBC et une carte en quatre quadrants, ils peuvent identifier rapidement quelles familles larges de molécules azotées sont présentes dans le goudron de charbon et estimer leur abondance, sans avoir besoin d’isoler chaque espèce. Leurs résultats montrent que l’azote dans le goudron de co-pyrolyse est dominé par des hétérocycles en anneau dérivés de la matière végétale à l’origine du charbon. Cette connaissance peut aider les ingénieurs à ajuster les conditions de pyrolyse pour favoriser des produits désirables, améliorer l’élimination des espèces azotées problématiques des carburants, et valoriser le goudron de charbon comme source plus durable de blocs de construction azotés complexes pour la pharmacie et les matériaux.

Citation: 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

Mots-clés: goudron de charbon, hétérocycles azotés, pyrolyse, spectroscopie RMN, caractérisation chimique