Мочевина ОбщиеСистематическоенаименование Диамид угольной кислоты Традиционны?
Мочевина это

Диамид угольной кислоты

с разложением 174 °C

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

Содержание

Исторические сведения

Мочевина открыта Руэлем в 1773 году и идентифицирована Уильямом Праутом в 1818 году. Особое значение мочевине в истории органической химии придал факт её синтеза из неорганических веществ Фридрихом Вёлером в 1828 году [2] :

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 [3] [4] .

Свойства и реакционная способность

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 (г в 100 г растворителя):

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):

R C O C l + H 2 N C O N H 2 → R C O N H C O N H 2 + H C l <\displaystyle <\mathsf NCONH_<2>\rightarrow RCONHCONH_<2>+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:

H 2 N C O N H 2 + R O H → H 2 N C O O R + N H 3 <\displaystyle <\mathsf NCONH_<2>+ROH\rightarrow H_<2>NCOOR+NH_<3>>>>

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

R N H 2 + H 2 N C O N H 2 → R N H C O N H 2 + N H 3 <\displaystyle <\mathsf +H_<2>NCONH_<2>\rightarrow RNHCONH_<2>+NH_<3>>>>

H 2 N N H 2 + H 2 N C O N H 2 → H 2 N N H C O N H 2 + N H 3 <\displaystyle <\mathsf NNH_<2>+H_<2>NCONH_<2>\rightarrow H_<2>NNHCONH_<2>+NH_<3>>>>

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 «сухой» перекиси 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 [5] .

Недавно обнаружена способность мочевины образовывать глубокоэвтектические растворы при смешении с хлоридом холина, хлоридом цинка и некоторыми другими веществами [6] . 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.

• 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

Промышленный синтез и использование

Ежегодное производство мочевины в мире составляет примерно 100 миллионов тонн [7] .

В промышленности мочевина синтезируется реакцией Базарова из аммиака и углекислого газа при температуре 130-140°С и давлении 200 атм. [8] :

2 N H 3 + C O 2 → H 2 N C O N H 2 + H 2 O <\displaystyle <\mathsf <2NH_<3>+CO_<2>\rightarrow H_<2>NCONH_<2>+H_<2>O>>>

По этой причине производства мочевины совмещают с аммиачными производствами.

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.

H 2 N C O N H 2 + H 2 O → 2 N H 3 + C O 2 <\displaystyle <\mathsf NCONH_<2>+H_<2>O\rightarrow 2NH_<3>+CO_<2>>>> 3 N O + 2 N H 3 → 2.5 N 2 + 3 H 2 O <\displaystyle <\mathsf <3NO+2NH_<3>\rightarrow 2.5N_<2>+3H_<2>O>>>

Карбамид зарегистрирован в качестве пищевой добавки E927b. Используется, в частности, в производстве жевательной резинки.

Мочевина содержит 46,63 % азота по массе. Бактерии выделяют фермент уреазу, который катализирует превращение мочевины в аммиак и углекислый газ.

( N H 2 ) 2 C O + H 2 O ⟶ N H 3 + H 2 N C O O H ⟶   2   N H 3 + C O 2 <\displaystyle \mathrm <(NH_<2>)_<2>CO+H_<2>O\longrightarrow NH_<3>+H_<2>NCOOH\longrightarrow \ 2\ NH_<3>+CO_<2>> >

Аммиак далее окисляется бактериями рода Nitrosomonas в нитрит:

2   N H 3 + 3   O 2 ⟶   2   N O 2 − +   2   H + + 2   H 2 O <\displaystyle \mathrm <2\ NH_<3>+3\ O_<2>\longrightarrow \ 2\ NO_<2>^<\,->+\ 2\ H^<+>+2\ H_<2>O> >

Далее бактерии рода Nitrobacter окисляют нитрит в нитрат:

2   N O 2 − +   O 2 ⟶   2   N O 3 − <\displaystyle \mathrm <2\ NO_<2>^<\,->+\ O_<2>\longrightarrow \ 2\ NO_<3>^<\,->> >

Растения поглощают из почвы ионы аммония и нитрат-ионы.

Для обнаружения мочевины используют появление желто-зеленого окрашивания при взаимодействии определяемого раствора с п-диметил-аминобензальдегидом в присутствии соляной кислоты. Предел обнаружения 2 мг/л.

Примечания

1. ^Химическое равновесие. Свойства растворов. Раздел 1. chemanalytica.com. Проверено 21 февраля 2016.


2. ^Nicolaou, K.C., Montagnon, T. Molecules That Changed The World. — Wiley-VCH, 2008. — С. 11. — ISBN 978-3-527-30983-2.


3. ^ Galatzer-Levy, R. M. (1976) «Psychic Energy, A Historical Perspective.» Ann Psychoanal4:41-61 [1]


4. ^Витализм и его опровержение


5. ^ Нейланд О. Я. Органическая химия: Учебник для химических специальностей вузов.— Москва: Высшая школа, 1990.— с. 645—646.


6. ^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 . — ISSN0009-2665. — DOI:10.1021/cr300162p.


7. ^J. H. Meessen, H. Petersen. "Urea" // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — Weinheim: Wiley-VCH, 2002. — DOI:10.1002/14356007.a27_333.


8. ^Мельников Б.П., Кудрявцева И.А. Производство мочевины. — М. : Химия, 1965. — P. 61.


9. ^Чем грозит автоиндустрии череда топливных скандалов: Мировой бизнес: Бизнес: Lenta.ru

«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. — 432с. ISBN 5-7245-0703-X

Мочевина это