Мочевина

Впервые была обнаружена в моче. Особое значение мочевине в истории органической химии придал факт её синтеза из неорганических веществ Фридрихом Вёлером в 1828 году^[5]:

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^[6][7].

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).

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.

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 ${\displaystyle {{\ce {H2NCONHCONH2}}}}$.

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^[8].

Недавно обнаружена способность мочевины образовывать глубокоэвтектические растворы при смешении с хлоридом холина, хлоридом цинка и некоторыми другими веществами^[9]. Такие смеси имеют температуру плавления заметно ниже по сравнению с исходными веществами (часто даже ниже комнатной температуры).

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)^[10]. Данное исследование используется для оценки азотистого баланса и суточной потребности в белке и энергии.

Ежегодное производство мочевины в мире составляет примерно 100 миллионов тонн^[11].

В промышленности мочевина синтезируется реакцией Базарова из аммиака и углекислого газа при температуре 130—140 °C и давлении 200 атм.^[12]:

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

По этой причине производства мочевины совмещают с аммиачными производствами.

Карбамид следует изготовлять в соответствии с требованиями ГОСТ 2081-2010.

В сельском хозяйстве. Мочевина является крупнотоннажным продуктом, используемым в основном как азотное удобрение (содержание азота 46 %), и выпускается, в этом качестве, в устойчивом к слёживанию гранулированном виде. Производные мочевины — эффективные гербициды.

В производстве ДВП и мебели. 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.

Для очистки. Мочевина применяется для очистки от оксидов азота в SCR-катализаторе выхлопных газов в дизельных двигателях внутреннего сгорания^[13] 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:

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

В пищевой промышленности. 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^[2].

Мочевина - самое известное из всех азотных удобрений из-за эффективности и дешевизны. Из выпускаемых марок А и Б, в сельском хозяйстве используют марку Б. Мочевину можно использовать под все культуры, которым азот необходим для полноценного роста и развития. Но несмотря на то, что растения только половину дозы азота, содержащегося в удобрении, дозировку увеличивать не стоит. Его можно повысить, добавив сульфат магния^[14][4]. Мочевину не рекомендуется смешивать с простым суперфосфатом, мелом, доломитом и известью. В качестве припосевного удобрения нужно вносить за две недели, чтобы содержащийся в ней биурет, успел полностью разложиться^[3].

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.

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.