Urea

Urea

Substància química	tipus d'entitat química
Massa molecular	60,032 Da
Trobat en el tàxon	ésser humà, Panaeolus cyanescens, Panaeolus goossensiae, anel·lària, Panaeolus antillarum, flammulina, Heteropolygonatum alte-lobatum, Daphnia magna, banya del sègol, Copelandia, Caenorhabditis elegans, Phaseolus vulgaris, fava, magraner, tomàquet, Ascochyta medicaginicola, escheríchia coli i Chlamydomonas reinhardtii
Rol	metabòlit primari
Estructura química
Fórmula química	CH₄N₂O
SMILES canònic	Model 2D C(=O)(N)N
Identificador InChI	Model 3D
Propietat
Densitat	1,32 g/cm³
PKa	0,18
Punt de fusió	132,7 °C 134 °C
Punt d'ebullició	174 °C
Entalpia estàndard de formació	−333,3 kJ/mol
Cristal·lografia
Sistema cristal·lí	sistema tetragonal
Altres
amargor

La urea és un compost químic cristal·lí, incolor, de fórmula ${\displaystyle {\ce {CO(NH2)2}}}$, present en l'orina dels mamífers. El seu nom sistemàtic és metandiamida. El procés bàsic d'obtenció de la urea s'anomena síntesi de Wöhler en honor d'aquest químic. També se n'ha trobat a les naturals, sent considerada un mineral que pertany a la classe dels minerals orgànics; també s'anomena urea.

Història

Friedrich Wölher.

La urea fou aïllada per primera vegada pel químic francès Hilaire Rouelle el 1773, de l'orina humana, de la de vaques i de la de cavalls.^[1] El 1799 fou nomenada «urée», en català «urea», pels químics francesos Antoine François de Fourcroy (1755–1809) i Louis Nicolas Vauquelin (1763–1829),^[2] a partir del francès «urine», 'orina', pel seu origen.^[3]

Fou obtinguda sintèticament per primera vegada el 1824 pel químic alemany Friedrich Wöhler (1800–1882) però no l'identificà fins al 1828 i pogué publicar el seu treball^[4] La sintetitzà fent reaccionar hidròxid d'amoni ${\displaystyle {\ce {NH4OH}}}$ amb isocianat de plom(II) ${\displaystyle {\ce {Pb(OCN)2}}}$:^[5]

$${\displaystyle {\ce {Pb(OCN)2 + 2NH4OH -> 2CO(NH)2 + Pb(OH)2}}}$$

En reaccionar primer formen isocianat d'amoni ${\displaystyle {\ce {NH4OCN}}}$ que es transforma en urea en ser escalfat:

Síntesi de la urea

Aquesta síntesi és molt important, ja que fou el primer compost orgànic sintetitzat a partir de composts inorgànics, cosa que representà una primera prova contra la força vital. Aquesta teoria suposava que les substàncies orgàniques només podien ser sintetitzades per organismes vius i el naixement de la química orgànica.^[5]

Característiques

Propietats físiques

Model de molècula d'urea.

La urea és un sòlid blanc inodor, que cristal·litza amb agulles llargues de densitat 1,335 g /cm³. Cristal·litza en el sistema tetragonal. Té un punt d'ebullició de 132,7 °C i es descompon en amoníac i àcid isociànic abans de bullir. És molt soluble en aigua (545 g/L) i soluble en etanol, metanol i àcid acètic, lleugerament soluble en èter i cloroform i insoluble en benzè.^[6]

Propietats químiques

En dissolució, la urea presenta els següents equilibris:

$${\displaystyle {\ce {NH2CONH2 <=> NH4OCN <=> NH3 + HOCN}}}$$

En dissolucions concentrades l'àcid isociànic reacciona amb la urea a relativament baixa temperatura per donar biuret o carbamilurea ${\displaystyle {\ce {NH2-CO-NH-CO-NH2}}}$, triuret ${\displaystyle {\ce {NH2-CO-NH-CO-NH-CO-NH2}}}$ i àcid cianúric ${\displaystyle {\ce {(HNCO)3}}}$. A més temperatura dona guanidina ${\displaystyle {\ce {CNH(NH2)2}}}$, ammelida ${\displaystyle {\ce {C3N3(OH)2NH2}}}$, ammelina ${\displaystyle {\ce {C3N3OH(NH2)2}}}$ i melamina ${\displaystyle {\ce {C3N3(NH2)3}}}$.^[7]

La urea reacciona amb els òxids de nitrogen en fase gasosa a altes temperatures (800–1 500 °C), i a més baixa temperatura en fase líquida, per formar nitrogen ${\displaystyle {\ce {N2}}}$, diòxid de carboni ${\displaystyle {\ce {CO2}}}$i aigua ${\displaystyle {\ce {H2O}}}$. Aquesta reacció s'empra per eliminar òxids de nitrogen de gasos de combustió als vehicles dièsel (additiu AdBlue, una dissolució d'urea al 32,5 %) i a les indústries. En escalfar la dissolució d'urea es descompon en amoníac i l'àcid isociànic. Aquest reacciona amb l'aigua (hidròlisi) per donar més amoníac i diòxid de carboni:^[8]

Sortidor d'AdBlue.

$${\displaystyle {\ce {HCNO + H2O -> NH3 + CO2}}}$$

L'amoníac és el reactiu que reacciona amb els òxids de nitrogen:

$${\displaystyle {\ce {4NO + 4NH3 + O2 -> 4N2 + 6H2O}}}$$$${\displaystyle {\ce {NO + NO2 + 2NH3 -> 2N2 + 3H2O}}}$$$${\displaystyle {\ce {6NO2 + 8NH3 -> 7N2 + 12H2O}}}$$

Amb formaldehid la urea reacciona en condicions àcides per donar amines secundàries i terciàries amb els dos grups. En condiciona bàsiques dona dimetilol urea.^[7]

Estat natural

Cicle de la urea.

Es troba abundantment en l'orina, uns 9,3 g/L en l'orina humana, i és el principal producte terminal del metabolisme protídic en l'ésser humà i en els mamífers, i és excretada en grans quantitats per l'orina. En quantitats menors, és present a la sang, al fetge, a la limfa i en els fluids serosos, i també en els excrements dels peixos i molts altres animals. També és present en floridures dels fongs així com a les fulles i llavors de nombrosos llegums i cereals.

La urea es forma principalment al fetge com un producte final del metabolisme. El nitrogen de la urea, que constitueix la major part del nitrogen de l'orina, procedeix de la descomposició de les cèl·lules del cos, però sobretot, de les proteïnes dels aliments, que genera amoníac ${\displaystyle {\ce {NH3}}}$, tòxic per l'organisme.

La ureotèlia és aquella estratègia de gestió metabòlica del nitrogen en què determinats animals excreten urea com a principal catabòlit nitrogenat.^[9][10] Generalment es produeix en animals que poden excretar suficient volum d'aigua o concentrar la urea en una considerable quantitat d'orina. Es produeix en mamífers (excepte el dàlmata),^[11] rèptils aquàtics, amfibis i alguns peixos cartilaginosos (en aquest darrer cas retenen la urea en l'organisme per augmentar la pressió osmòtica).^[12]

En el fetge dels animals l'amoníac és desintoxicat per formar urea, la qual és força menys tòxica i pot romandre en el cos durant més temps sense causar-hi efectes nocius. Un gram d'urea requereix 50 ml d'aigua per ser excretada.^[13]

La transformació de l'amoníac en urea té lloc a través del cicle de la urea. En aquest cicle dues molècules d'amoníac es combinen amb una de diòxid de carboni per donar la urea. El procés té lloc mitjançant una sèrie d'etapes de reaccions bioquímiques on es genera l'aminoàcid ornitina ${\displaystyle {\ce {C5H12N2O2}}}$, per la qual cosa a aquest cicle també se'l coneix com a cicle de l'ornitina.^[5] Aquest cicle fou descobert pels bioquímics alemanys Hans Adolf Krebs (1900–1981) i Kurt Henseleit (1908–1973) el 1932.^[14]

Obtenció

El químic alemany Friedrich Wöhler produí urea artificialment el 1828, però el procediment industrial, el procés Bosch–Meiser gràcies als alemanys Carl Bosch (1874–1940) i Wilhelm Meiser, es desenvolupà només un segle més tard, el 1922. Aquest procés es basa en la reacció entre l'amoníac i el diòxid de carboni:^[15]

$${\displaystyle {\ce {2NH3 + CO2 <=> NH4(H2NCO2)}}}$$

El carbamat d'amoni que s'obté en una primera reacció, es descompon per acció de la calor i dona urea i aigua:^[15]

$${\displaystyle {\ce {NH4(H2NCO2) <=> CO(NH2)2 + H2O}}}$$

Usos

La capacitat global de producció d'urea és d'uns 220 milions t/any. A part de l'amoníac, la urea té el contingut de nitrogen més alt de tots els productes químics industrials i té una gran demanda com a fertilitzant. A causa del seu alt contingut en nitrogen, la urea preparada comercialment s'utilitza en la fabricació de fertilitzants agrícoles. Es fa servir també com a estabilitzador en explosius de nitrocel·lulosa i és un component bàsic de les resines preparades sintèticament.^[16]

En agricultura

Més del 90 % de la producció mundial d'urea es destina a fertilitzant en agricultura. Pel fet de tenir el contingut de nitrogen més alt entre tots els adobs químics sòlids d'ús comú en agricultura, té els costos de transport més baixos per unitat de nitrogen nutrient. L'estàndard com a fertilitzant és 46-0-0 (46 % de nitrogen, 0 % de fòsfor, 0 % de potassi).{ICIS Arxivat 2011-10-02 a Wayback Machine.}

Molts bacteris dels sòls tenen l'enzim ureasa, el qual catalitza la conversió d'una molècula d'urea i una altra d'aigua en dues molècules d'amoníac i una de diòxid de carboni (${\textstyle {\ce {CO(NH2)2 + H2O -> 2NH3 + CO2}}}$), així els adobs amb urea ràpidament es transformen a la forma amoniacal en els sòls. Entre els bacteris del sòl que tenen ureasa hi ha els nitrosomones que fan el procés de la nitrificació.^[17] Els bacteris que oxiden el nitrit a nitrat es troben els nitrobàcter, el qual és molt mòbil en els sòls i provoca contaminació de les aigües. L'amoni i el nitrat s'absorbeixen ràpidament per les plantes i és la font principal de nitrogen per al seu creixement. També es fa servir urea en moltes formulacions d'adobs químics. Com que la urea és molt soluble en aigua, es fa servir com adob líquid en combinació amb el nitrat d'amoni. La urea s'aplica normalment en una proporció de 40 a 300 kg/ha. No és compatible amb altres adobs. Aplicada com adob foliar es fa en concentracions de 0,5 % al 2,0 % i amb baix contingut de biuret, la impuresa més comuna, el qual perjudica el creixement de les plantes.

Indústria química

Nitrat d'urea.

És el material de partida per fabricar molts productes com plàstics, especialment les resines d'urea-formaldehid; adhesius, com els d'urea-formaldehid o de resina urea-melanina-formaldehid; cianat de potassi, i nitrat d'urea, altament explosiu.

Automòbils

AdBlue

La urea es fa servir en les reaccions de reducció no catalítica selectiva (SNCR) i la reducció catalítica selectiva (SCR) per reduir l'òxid de nitrogen provinent de la combustió del combustible dièsel i del gas natural.

Altres usos comercials

• Un estabilitzador en els explosius de nitrocel·lulosa.
• Un component de la nutrició per animals.
• Una alternativa no corrosiva per a la sal emprada en les carreteres contra les glaçades.
• Un additiu saboritzant per a les cigarretes.
• Un ingredient d'algunes cremes per a la pell,^[18] humidificador i condicionador dels cabells.
• Un ingredient en molts productes per a blanquejar les dents.

En laboratori

La urea a concentracions de fins a 10 M és un poderós desnaturalitzador de proteïnes i això serveix per incrementar la solubilitat d'algunes proteïnes. Una mescla d'urea i clorur de colina es fa servir com un solvent. Es pot fer servir urea com a font d'hidrogen en cèl·lules de combustible.^[19]

En medicina

Una crema amb urea rehidrata la pell. La urea al 40% està indicada en la psoriasi, xerosi, onicomicosi, èczema, queratosi, queratodèrmia, i durícies de la pell. La urea al 40% "dissol la matriu intercel·lular"^[20] de la placa de les ungles sense afectar-ne les parts sanes. La injecció d'urea es fa servir per provocar l'avortament. El contingut d'urea en la sang es mesura com a marcador de la funció renal. També serveix per detectar en l'alè la presència del bacteri Helicobacter pylori associat amb úlceres pèptiques.

Anàlisi

La urea es quantifica ràpidament a través de diversos mètodes com és el mètode colorimètric monoxim diacetil i la reacció de Berthelot.^[21]

Referències

1. Roulle, H. «Observations sur l'urine humaine, & sur celles de vache & de cheval, comparés ensemble». Journal de médecine, chirurgie, pharmacie, etc., 40, 1773, pàg. 452-468.
2. Fourcroy, A.F.; Vauquelin, L.N. «EXTRAIT d'un premier mémoire des cit. Fourcroy et Vauquelin, pour servir à l'histoire naturelle chimique et médicinale de l'urine humaine,». Annales de Chimie, 18-07-1799, pàg. 48-71.
3. Fourcroy, A.F.; Vauquelin, L.N. «SUITE du 2e mémoire sur l'urine humaine, etc. par les cit. Fourcroy et Vauquelin,». Annales de Chimie, 22-10-1799, pàg. 113-162.
4. Wöhler, F. «Ueber künstliche Bildung des Harnstoffs» (en anglès). Annalen der Physik, 88, 2, 1828, pàg. 253–256. DOI: 10.1002/andp.18280880206. ISSN: 1521-3889.
5. Myers, Richard L. The 100 most important chemical compounds : a reference guide. Westport, Conn.: Greenwood Press, 2007. ISBN 978-0-313-08057-9. 
6. PubChem. «Urea» (en anglès). [Consulta: 11 febrer 2022].
7. Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry. Sixth edition, 2002. ISBN 978-3-527-30673-2. 
8. Reif, Konrad. Diesel engine management: systems and components. Wiesbaden: Springer, 2014. ISBN 978-3-658-03981-3. 
9. «Ureotelic» (en anglès). Merriam-Webster.com.
10. «Ureotelic» (en anglès). Mondofacto.com. Arxivat de l'original el 2010-02-13. [Consulta: 10 abril 2016].
11. Friedman, Meyer.; Byers, Sanford O. «OBSERVATIONS CONCERNING THE CAUSES OF THE EXCESS EXCRETION OF URIC ACID IN THE DALMATIAN DOG». Journal of Biological Chemistry, 175, 2, 9-1948, pàg. 727–735. DOI: 10.1016/s0021-9258(18)57191-x. ISSN: 0021-9258.
12. S. Sreekumar. Basic Physiology (en anglès). PHI Learning Pvt. Ltd., 2010, p. 180–181. ISBN 9788120341074. ^{[Enllaç no actiu]}
13. Rastogi, V. B.. Modern Biology (en anglès). Pitambar Publishing, 1990, p. 173. ISBN 978-81-209-0496-5. 
14. Krebs, Hans Adolf; Henseleit, Kurt «Untersuchungen uber die Harnstoffbildung im Tierkörper». Hoppe-Seyler´s Zeitschrift für physiologische Chemie, 210, 1-2, 1-1932, pàg. 33–66. DOI: 10.1515/bchm2.1932.210.1-2.33. ISSN: 0018-4888.
15. Candelaresi, Daniele; Spazzafumo, Giuseppe. «Introduction: the power-to-fuel concept». A: Power to fuel (en anglès). Academic Press, 2021, p. 1–15. DOI 10.1016/b978-0-12-822813-5.00005-9. ISBN 978-0-12-822813-5. 
16. «Urea» (en anglès). [Consulta: 11 febrer 2022].
17. Marsh, K. L., G. K. Sims, and R. L. Mulvaney. 2005. Availability of urea to autotrophic ammonia-oxidizing bacteria as related to the fate of 14C- and 15N-labeled urea added to soil. Biol. Fert. Soil. 42:137-145.
18. www.dooyoo.co.uk. «Lacura Multi Intensive Serum - Review - Excellent value for money - Lacura Multi Intensive Serum "Aqua complete"». Dooyoo.co.uk, 19-06-2009. [Consulta: 28 desembre 2010].
19. «Researchers develop urea fuel cell.». Arxivat de l'original el 2017-06-29. [Consulta: 5 febrer 2012].
20. «UriSec 40 How it Works». Odan Laboratories, 01-01-2009. Arxivat de l'original el 2 de febrer 2011. [Consulta: 15 febrer 2011].
21. Baumgartner, M., M. Flöck, P. Winter, W. Lu, and W. Baumgartner. 2005. Evaluation of flow injection analysis for determination of urea in sheep's and cow's milk. Acta Veterinaria Hungarica. 50 (3): 263-271.