Мочеви́на (карбамид, урея) — химическое соединение, диамид угольной кислоты. Белые кристаллы, растворимые в полярных растворителях (воде, этаноле, жидком аммиаке).
Исторические сведения Впервые была обнаружена в моче. Особое значение мочевине в истории органической химии придал факт её синтеза из неорганических веществ Фридрихом Вёлером в 1828 году:
Это превращение является первым синтезом органического соединения из неорганического. Вёлер получил мочевину нагревом цианата аммония, полученного реакцией взаимодействия цианата калия с сульфатом аммония. Это событие нанесло первый удар по витализму — учению о жизненной силеGalatzer-Levy, R. M. (1976) «Psychic Energy, A Historical Perspective.» Ann Psychoanal 4:41-61 .
Физические свойства Бесцветные кристаллы без запаха, кристаллическая решётка тетрагональная сингония (а = 0,566 нм, b = 0,4712 нм, c = 2); претерпевает полиморфные превращения кристаллов.
Мочевина хорошо растворима в полярных растворителях (воде, жидком аммиаке и сернистом ангидриде), при снижении полярности растворителя растворимость падает. Мочевина нерастворима в неполярных растворителях (алканах, хлороформе).
Растворимость (% масс.): в воде — 40 (0 °C), 45 (10 °C), 51,83 (20 °C), 57,2 (30 °C), 63,8 (40 °C), 67,2(50 °C), 71,9 (60 °C), 79 (80 °C), 88 (100 °C); в жидком аммиаке — 49,2 (20 °C, 709 кПа), 90 (100 °C, 1267 кПа); в метаноле — 22 (20 °C); в этаноле — 5,4 (20 °C); в изопропаноле — 2,6 (20 °C); в изобутаноле — 6,2 (20 °C); в этилацетате — 0,08 (25 °C); в хлороформе — ~0 (не растворяется).
Химические свойства При нагревании до 150 °C обратимо переходит в цианат аммония, который также разлагается на аммиак и изоциановую кислоту:
(NH2)2CO <=> NH4OCN
NH4OCN <=> NH3 + HOCN
Данное свойство применяется для лабораторного получения цианатов калия и натрия, путём сплавления мочевины с соответствующими карбонатами или гидроксидами:
(NH2)2CO + NaOH ->[t] NaOCN + NH3 ^ + H2O ^
2(NH2)2CO + K2CO3 ->[t] 2KOCN + (NH4)2CO3
Карбонат аммония нестабилен и разлагается на углекислый газ, воду и аммиак, потому, общую реакцию можно записать так:
2(NH2)2CO + K2CO3 ->[t] 2KOCN + 2NH3 ^ + H2O ^ + CO2 ^
Мочевина может разлагаться с образованием различных продуктов, например, биурета.
Нуклеофильность Реакционная способность мочевины типична для амидов: оба атома азота являются нуклеофилами, то есть мочевина образует соли с сильными кислотами, нитрование с образованием N-нитромочевины, галогенируется с образованием N-галогенпроизводных. Мочевина алкилируется, образуя соответствующие N-алкилмочевины RNHCONH2, взаимодействует с альдегидами, образуя производные 1-аминоспиртов RC(OH)NHCONH2.
В жёстких условиях мочевина ацилируется хлорангидридами карбоновых кислот с образованием уреидов (N-ацилмочевин):
RCOCl + H2NCONH2 -> RCONHCONH2 + HCl.
Взаимодействие мочевины с дикарбоновыми кислотами и их производными (сложными эфирами и т. п.) ведёт к образованию циклических уреидов и широко используется в синтезе гетероциклических соединений; так, взаимодействие с щавелевой кислотой ведёт к парабановой кислоте.
Реакция с эфирами замещённых малоновых кислот — к 1,3,5-триоксипиримидинам — производным барбитурата, широко применявшимся в качестве снотворных препаратов:
В водном растворе мочевина гидролизуется с образованием аммиака и углекислого газа, что обуславливает её применения в качестве минерального удобрения.
Электрофильность Карбонильный атом углерода в мочевине слабоэлектрофилен, однако спирты способны вытеснять из мочевины аммиак, образуя уретаны: H2NCONH2 + ROH -> H2NCOOR + NH3. К этому же классу реакций относится взаимодействие мочевины с аминами, ведущее к образованию алкилмочевин: RNH2 + H2NCONH2 -> RNHCONH2 + NH3. и реакция с гидразином с образованием семикарбазида: H2NNH2 + H2NCONH2 -> H2NNHCONH2 + NH3 образование при нагревании биурета H2NCONHCONH2.
Комплексообразование Мочевина образует комплексы — включения (клатраты) со многими соединениями, например с перекисью водорода CO(NH2)2.H2O2, используемой как удобная и безопасная форма «сухого» пероксида водорода (гидроперит). Способность мочевины образовывать комплексы включения с алканами используется для депарафинизации нефти. Причём мочевина образует комплексы только с Н-алканами, ибо разветвлённые углеводородные цепи не могут пройти в цилиндрические каналы кристаллов мочевиныНейланд О. Я. Органическая химия: Учебник для химических специальностей вузов.— Москва: Высшая школа, 1990. — с. 645—646..
Недавно обнаружена способность мочевины образовывать при смешении с хлоридом холина, хлоридом цинка и некоторыми другими веществами. Такие смеси имеют температуру плавления заметно ниже по сравнению с исходными веществами (часто даже ниже комнатной температуры).
Биологическое значение Мочевина является конечным продуктом метаболизма белка у млекопитающих и некоторых рыб.
Производные нитрозомочевин находят применение в фармакологии в качестве противоопухолевых препаратов.
Концентрация мочевины определяется в биохимическом анализе крови и мочи. Нормы для сыворотки крови человека: дети до 14 лет — 1,8—6,4 ммоль/л взрослые до 60 лет — 2,5—8,32 ммоль/л взрослые старше 60 лет — 2,9—7,5 ммоль/л
Экскреция мочевины с мочой у здорового взрослого человека составляет 26–43 г/сут (430–720 ммоль/сут). Данное исследование используется для оценки азотистого баланса и суточной потребности в белке и энергии.
Промышленный синтез и использование
Ежегодное производство мочевины в мире составляет примерно 100 миллионов тонн.
В промышленности мочевина синтезируется реакцией Базарова из аммиака и углекислого газа при температуре 130—140 °C и давлении 200 атм.: 2NH3 + CO2 -> (NH2)2CO + H2O.
По этой причине производства мочевины совмещают с аммиачными производствами.
Карбамид следует изготовлять в соответствии с требованиями ГОСТ 2081-2010.
Мочевина является крупнотоннажным продуктом, используемым в основном как азотное удобрение (содержание азота 46 % по массе), и выпускается, в этом качестве, в устойчивом к слёживанию гранулированном виде.
Другим важным промышленным применением мочевины является синтез мочевино-альдегидных (в первую очередь мочевино-формальдегидных) смол, широко использующихся в качестве адгезивов в производстве древесно-волокнистых плит (ДВП) и мебельном производстве. Производные мочевины — эффективные гербициды.
Мочевина (жидкость AdBlue) применяется для очистки от оксидов азота в SCR-катализаторе выхлопных газов в дизельных двигателях внутреннего сгорания для того, чтобы достичь предельного соответствия чистоты выхлопных газов нормативам Euro-4, Euro-5 и Euro-6, также в газоочистных установках ТЭС, котельных, мусоросжигательных заводов и т. п. по следующей реакции: (NH2)2CO + H2O -> 2NH3 + CO2, 6NO + 4NH3 -> 5N2 + 6H2O. Суммарный процесс: 2(NH2)2CO + 6NO -> 2CO2 + 5N2 + 4H2O
Карбамид зарегистрирован в качестве пищевой добавки E927b. Используется, в частности, в производстве жевательной резинки.
Мочевина — это хаотропный агент. Благодаря этому она используется, например, в химии для растворения в воде малорастворимых белков.
В медицинской практике мочевина используется в дерматологии, растворяя кератин, увлажняет кожу, предохраняя роговой слой эпидермиса от пересыхания и растрескивания. Также используется в качестве осмотического диуретика, в частности, в терапии отека мозга и острого приступа глаукомы.
Благодаря свойству растворять кератин входит в состав кремов для удаления волос.
Удобрение Мочевина содержит 46,63 % азота по массе. Бактерии выделяют фермент уреазу, который катализирует превращение мочевины в аммиак и углекислый газ. (NH2)2CO + H2O -> NH3 + H2NCOOH -> 2NH3 + CO2.
Аммиак далее окисляется бактериями рода Nitrosomonas в нитрит: 2NH3 + 3O2 -> 2NO2^- + 2H^+ + 2H2O.
Далее бактерии рода Nitrobacter окисляют нитрит в нитрат: 2NO2^- + O2 -> 2NO3^-.
Растения поглощают из почвы ионы аммония и нитрат-ионы.
Качественная реакция Для обнаружения мочевины используют появление жёлто-зелёного окрашивания при взаимодействии определяемого раствора с п-диметил-аминобензальдегидом в присутствии соляной кислоты. Предел обнаружения 2 мг/л.
См. также Цикл мочевины Карбодиимиды Гидроксикарбамид Тетраметилмочевина
Примечания
Источники Рабинович В. А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник: Справ. изд./ Под ред. А. А. Потехина и А. И. Ефимова. — 3-е изд., перераб. и доп. — Л.: Химия, 1991. — 432 с. ISBN 5-7245-0703-X
Категория:Амиды карбоновых кислот Категория:Азотные удобрения Категория:Белковый обмен
Категория:Пищевые добавки Категория:Продукция основного органического синтеза Категория:Амиды (неорганические) Категория:Биологический цикл азота Категория:Соединения азота по алфавиту