Мочевина

Шаблон:Карточка{{#invoke:check for unknown parameters|check |unknown= |ignoreblank= |preview= |showblankpositional= |CAS|ChEBI|ChemSpiderID|ECB|EINECS|H-фразы|InChI|InChIKey|NFPA 704|P-фразы|PubChem|R-фразы|RTECS|S-фразы|SMILES|nocat|Кодекс Алиментариус|ЛД50|ООН|ПДК|СГС|большие схемы|вещество1|вещество2|вещество3|вещество4|внешний вид|вращение|гибридизация|давление пара|диапазон прозрачности|динамическая вязкость|дипольный момент|заголовок|изображение|изображение слева|изображение справа|изображение2|изоэлектрическая точка|интервал трансформации|картинка|картинка малая|картинка2|картинка3D|картинка 3D|картинка3D2|кинематическая вязкость|конст. диссоц. кислоты|константа В. дер В.|координационная геометрия|коэфф. электр. сопротив.|кристаллическая структура|критическая плотность|критическая темп.|критическая точка|критическое давление|молярная концентрация|молярная масса|наименование|описание изображений слева и справа|описание изображения|описание изображения слева|описание изображения справа|описание изображения2|описание картинки|описание картинки2|описание картинки3D|описание картинки3D2|описание малой картинки|от. диэлектр. прониц.|плотность|поверхностное натяжение|показатель преломления|предел прочности|пределы взрываемости|примеси|проводимость|растворимость|растворимость1|растворимость2|растворимость3|растворимость4|рац. формула|сигнальное слово|скорость звука|сокращения|состояние|твёрдость|темп. воспламенения|темп. вспышки|темп. кипения|темп. кипения пр.|темп. плавления|темп. разложения|темп. самовоспламенения|темп. стеклования|темп. сублимации|температура размягчения|тепловое расширение|теплопроводность|теплоёмкость|теплоёмкость2|токсичность|традиционные названия|тройная точка|угол Брюстера|уд. электр. сопротивление|удельная теплота парообразования|удельная теплота плавления|фазовые переходы|хим. имя|хим. формула|ширина изображения|ширина изображения2|энергия ионизации|энтальпия кипения|энтальпия образования|энтальпия плавления|энтальпия растворения|энтальпия сгорания|энтальпия сублимации|ЕС|удельная теплота парообразования2|удельная теплота плавления2|Номер UN|эмпирическая формула|теплота парообразования|энтальпия раствородия|тепловое расширодие}}

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 силе.

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:

$(\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2){\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{N}$

$\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{N}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{N}$

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

$(\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2){\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}+\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}\stackrel{\mathrm{t}}{\to }\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{N}+\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\uparrow +\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\uparrow$

$2(\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2){\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}+\mathrm{K}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{t}}{\to }2\mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{N}+(\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$

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

$2(\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2){\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}+\mathrm{K}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{t}}{\to }2\mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{N}+2\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\uparrow +\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\uparrow +\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\uparrow$

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 $\mathrm{R}\mathrm{N}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$, взаимодействует с альдегидами, образуя производные 1-аминоспиртов $\mathrm{R}\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H})\mathrm{N}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$.

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

$\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{N}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$.

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:

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{N}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+\mathrm{R}\mathrm{O}\mathrm{H}⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{N}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{R}+\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3$.

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

$\mathrm{R}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{N}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{R}\mathrm{N}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3$.

и реакция с гидразином с образованием семикарбазида:

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{N}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{N}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{N}\mathrm{N}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3$

образование при нагревании биурета $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{N}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$.

Комплексообразование

Мочевина образует комплексы — включения (клатраты) со многими соединениями, например с перекисью водорода $\mathrm{C}\mathrm{O}(\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2){\phantom{A}}_2\cdot \mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$, 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.

Недавно обнаружена способность мочевины образовывать Шаблон:Iw 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.:

$2\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3+\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶(\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2){\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$.

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 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:

$(\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2){\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶2\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3+\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$,

$6\mathrm{N}\mathrm{O}+4\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3⟶5\mathrm{N}{\phantom{A}}_2+6\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$.

Суммарный процесс:

$2(\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2){\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}+6\mathrm{N}\mathrm{O}⟶2\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+5\mathrm{N}{\phantom{A}}_2+4\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

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.

$(\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2){\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{N}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}⟶2\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3+\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$.

Аммиак далее окисляется бактериями рода Nitrosomonas в нитрит:

$2\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3+3\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶2\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}^{-}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$.

Далее бактерии рода Nitrobacter окисляют нитрит в нитрат:

$2\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}^{-}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶2\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{-}$.

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

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