Мочевина

Мочеви́на (карбамид, урея) — химическое соединение, диамид угольной кислоты. Белые кристаллы, растворимые в полярных растворителях (воде, этаноле, жидком аммиаке).

Мочевина
Общие
Систематическое наименование	Диамид угольной кислоты
Традиционные названия	Мочевина, карбамид
Хим. формула	(NH2)2CO
Физические свойства
Состояние	белые кристаллы
Молярная масса	60.07 г/моль
Плотность	1,32 г/см³
Энергия ионизации	9,7 эВ[1]
Термические свойства
Температура
• плавления	132.7 °C
• кипения	с разложением 174 °C
Энтальпия
• образования	−333,3 кДж/моль
Химические свойства
Константа диссоциации кислоты ${\displaystyle pK_{a}}$	0,18 [2]
Растворимость
• в воде	51,8 (20 °C)
Классификация
Рег. номер CAS	57-13-6
PubChem	1176
Рег. номер EINECS	200-315-5
SMILES	NC(=O)N
InChI	InChI=1S/CH4N2O/c2-1(3)4/h(H4,2,3,4) XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N
Кодекс Алиментариус	E927b
RTECS	YR6250000
ChEBI	16199 и 48376
ChemSpider	1143
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

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^[3]:

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 силе^[4][5].

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:

${\displaystyle {\ce {(NH2)2CO <=> NH4OCN}}}$

${\displaystyle {\ce {NH4OCN <=> NH3 + HOCN}}}$

Данное свойство применяется для лабораторного получения цианатов калия и натрия, путём сплавления мочевины с соответствующими карбонатами или гидроксидами:

${\displaystyle {\ce {(NH2)2CO + NaOH ->[t] NaOCN + NH3 ^ + H2O ^}}}$

${\displaystyle {\ce {2(NH2)2CO + K2CO3 ->[t] 2KOCN + (NH4)2CO3}}}$

Карбонат аммония нестабилен и разлагается на углекислый газ, воду и аммиак, потому, общую реакцию можно записать так:

${\displaystyle {\ce {2(NH2)2CO + K2CO3 ->[t] 2KOCN + 2NH3 ^ + H2O ^ + CO2 ^}}}$

Мочевина может разлагаться с образованием различных продуктов, например, биурета^[6].

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 ${\displaystyle {\ce {RNHCONH2}}}$, взаимодействует с альдегидами, образуя производные 1-аминоспиртов ${\displaystyle {\ce {RC(OH)NHCONH2}}}$.

В жёстких условиях мочевина ацилируется хлорангидридами карбоновых кислот с образованием уреидов (N-ацилмочевин):

${\displaystyle {\ce {RCOCl + H2NCONH2 -> RCONHCONH2 + HCl}}}$.

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, а 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:

${\displaystyle {\ce {H2NCONH2 + ROH -> H2NCOOR + NH3}}}$.

К этому же классу реакций относится взаимодействие мочевины с аминами, ведущее к образованию алкилмочевин:

${\displaystyle {\ce {RNH2 + H2NCONH2 -> RNHCONH2 + NH3}}}$.

и реакция с гидразином с образованием семикарбазида:

${\displaystyle {\ce {H2NNH2 + H2NCONH2 -> H2NNHCONH2 + NH3}}}$

образование при нагревании биурета ${\displaystyle {\ce {H2NCONHCONH2}}}$.

Комплексообразование

Мочевина образует комплексы — включения (клатраты) со многими соединениями, например с перекисью водорода ${\displaystyle {\ce {CO(NH2)2.H2O2}}}$, 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 мочевины^[7].

Недавно обнаружена способность мочевины образовывать глубокоэвтектические растворы^[англ.] при смешении с хлоридом холина, хлоридом цинка и некоторыми другими веществами^[8]. 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)^[9]. 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^[10].

В промышленности мочевина синтезируется реакцией Базарова из аммиака и углекислого газа при температуре 130—140 °C и давлении 200 атм.^[11]:

${\displaystyle {\ce {2NH3 + CO2 -> (NH2)2CO + H2O}}}$.

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 %), 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 применяется для очистки от оксидов азота в SCR-катализаторе выхлопных газов в дизельных двигателях внутреннего сгорания^[12] 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:

${\displaystyle {\ce {(NH2)2CO + H2O -> 2NH3 + CO2}}}$,

${\displaystyle {\ce {6NO + 4NH3 -> 5N2 + 6H2O}}}$.

Суммарный процесс:

${\displaystyle {\ce {2(NH2)2CO + 6NO -> 2CO2 + 5N2 + 4H2O}}}$

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^[13]. 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.

${\displaystyle {\ce {(NH2)2CO + H2O -> NH3 + H2NCOOH -> 2NH3 + CO2}}}$.

Аммиак далее окисляется бактериями рода Nitrosomonas в нитрит:

${\displaystyle {\ce {2NH3 + 3O2 -> 2NO2^- + 2H^+ + 2H2O}}}$.

Далее бактерии рода Nitrobacter окисляют нитрит в нитрат:

${\displaystyle {\ce {2NO2^- + O2 -> 2NO3^-}}}$.

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

Примечания

1. David R. Lide, Jr. Basic laboratory and industrial chemicals (англ.): A CRC quick reference handbook — CRC Press, 1993. — ISBN 978-0-8493-4498-5
2. Химическое равновесие. Свойства растворов. Раздел 1  (неопр.). chemanalytica.com. Дата обращения: 21 февраля 2016. Архивировано 20 сентября 2016 года.
3. Nicolaou, K.C., Montagnon, T. Molecules That Changed The World. — Wiley-VCH, 2008. — С. 11. — ISBN 978-3-527-30983-2.
4. Galatzer-Levy, R. M. (1976) «Psychic Energy, A Historical Perspective.» Ann Psychoanal 4:41-61 Архивная копия от 21 июля 2012 на Wayback Machine
5. Витализм и его опровержение  (неопр.). Дата обращения: 11 сентября 2015. Архивировано 4 марта 2016 года.
6. Steffen Tischer, Marion Börnhorst, Jonas Amsler, Günter Schoch, Olaf Deutschmann. Thermodynamics and reaction mechanism of urea decomposition (англ.) // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2019. — Vol. 21, iss. 30. — P. 16785–16797. — doi:10.1039/C9CP01529A. Архивировано 21 декабря 2023 года.
7. Нейланд О. Я. Органическая химия: Учебник для химических специальностей вузов.— Москва: Высшая школа, 1990. — с. 645—646.
8. Emma L. Smith, Andrew P. Abbott, Karl S. Ryder. Deep Eutectic Solvents (DESs) and Their Applications // Chemical Reviews. — 2014-11-12. — Т. 114, вып. 21. — С. 11060—11082. — ISSN 0009-2665. — doi:10.1021/cr300162p.
9. Urea - DiaSys Diagnostic Systems GmbH  (неопр.). Дата обращения: 7 февраля 2020. Архивировано 7 февраля 2020 года.
10. J. H. Meessen, H. Petersen. "Urea" // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — Weinheim: Wiley-VCH, 2002. — doi:10.1002/14356007.a27_333.
11. Мельников Б.П., Кудрявцева И.А. Производство мочевины. — М.: Химия, 1965. — P. 61.
12. Чем грозит автоиндустрии череда топливных скандалов: Мировой бизнес: Бизнес: Lenta.ru  (неопр.). Дата обращения: 3 июня 2016. Архивировано 3 июня 2016 года.
13. Крем для ног с мочевиной — виды, как выбрать  (рус.). Журнал NAILS (9 августа 2019). Дата обращения: 18 июля 2020. Архивировано 19 июля 2020 года.

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