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 :

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

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

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 .

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 .

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. :

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

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 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 .

В медицинской практике в косметологии входит в состав крема для ног .

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 в нитрит :

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

Далее бактерии рода 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

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