尿素
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尿素（Urea）是由碳、氮、氧和氢组成的有机化合物，又称脲（与尿同音）。其化学式为 CON2H4、(NH2)2CO 或 CN2H4O，分子质量60，国际非专利药品名称为 Carbamide（碳酰胺）。外观是无色晶体或粉末，是动物蛋白质代谢后的产物，通常用作植物的氮肥。
| 尿素 | |||
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| IUPAC名 carbonyl diamide 碳酰二胺 | |||
| 英文名 | Urea | ||
| 别名 | 脲
carbamide (碳酰胺) carbonyldiamide (碳酰胺) carbonyldiamine (碳酰二胺) diaminomethanal (二氨基甲醛) diaminomethanone (二氨基甲酮) | ||
| 识别 | |||
| CAS号 | 57-13-6 
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| ChemSpider | 1143 | ||
| SMILES |
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| InChI |
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| InChIKey | XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYAF | ||
| Beilstein | 635724 | ||
| Gmelin | 1378 | ||
| DrugBank | DB03904 | ||
| IUPHAR配体 | 4539 | ||
| 性质 | |||
| 化学式 | CH4N2O | ||
| 摩尔质量 | 60.06 g·mol−1 | ||
| 外观 | 无色无臭固体 | ||
| 密度 | 1.33 | ||
| 熔点 | 132.7 °C（分解） | ||
| 溶解性（水） | 108 g/100 mL (20 °C) 167 g/100 mL (40 °C) 251 g/100 mL (60 °C) 400 g/100 mL (80 °C) 733 g/100 mL (100 °C) | ||
| pKb | 13.82 | ||
| 临界相对湿度 | 81% (20 °C) 73% (30 °C) | ||
| 结构 | |||
| 晶体结构 | 四方晶系 | ||
| 分子构型 | 平面三角 | ||
| 偶极矩 | 4.56 | ||
| 危险性 | |||
| MSDS | ScienceLab.com | ||
| 主要危害 | 有毒 | ||
| NFPA 704 |
 1
2
0
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| 相关物质 | |||
| 相关化学品 | 双缩脲、硫脲 | ||
| 若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。 | |||
发现
1727年，荷兰科学家赫尔曼·布尔哈夫首次在尿液中发现尿素[1]，尽管这一发现通常归功于法国化学家伊莱尔·鲁埃勒和苏格兰外科军医、化学家威廉·克鲁克香克 [2]。
1828年，弗里德里希·维勒首次使用无机物质氰酸钾与硫酸铵人工合成了尿素。本来他打算合成氰酸铵（Ammonium cyanate，NH4NCO），却得到了尿素。
由此证明了活力论是错误的，事实上开辟了有机化学。活力论认为无机物与有机物有根本性差异，所以无机物无法变成有机物。哺乳动物、两栖动物和一些鱼的尿中含有尿素；鸟和爬行动物排放的是尿酸，因为其氮代谢过程使用的水量比较少。
生理
尿素在肝脏产生后融入血液（人体内的浓度在每升2.5至7.5微摩尔/升之间），最后通过肾脏由尿排出。少量尿素由汗排出。
生物以二氧化碳、水、天冬氨酸和氨等化学物质合成尿素。促使尿素合成的代谢途径是一种合成代谢，叫做尿素循环。此过程耗费能量，却很必要。因为氨有毒，且是常见的新陈代谢产物，必须被消除。肝脏在合成尿素时，需要N-乙酰谷氨酸作为调节。
含氮废物具有毒性，产生自蛋白质和氨基酸的分解代谢过程。大多数生物必须对其进行再处理。海生生物通常直接以氨的形式排入海水。陆地生物则将氨转化为尿素或尿酸再排出。鸟和爬行动物通常排泄尿酸，其它动物（如哺乳动物）则是尿素。例外如，水生的蝌蚪排泄氨，但在其蜕变过程转为排泄尿素；大麦町狗主要排泄尿酸，不是尿素，因为其尿素循环中的一个转换酶的基因损坏了。
哺乳动物以肝脏中的一个循环反应产生尿素。这个循环最早在1932年被提出，其反应起点是氨的分解。1940年代澄清瓜氨酸和精氨基琥珀酸的作用后，它已被完全理解。在这个循环中，来自氨和 L-天冬氨酸的氨基被转换为尿素，起中介作用的是 L-鸟氨酸、瓜氨酸、L-精氨酸-琥珀酸和 L-精氨酸。
尿素循环是哺乳动物和两栖动物排泄含氮代谢废物的主要途径。但别种生物亦然，如鸟类、无脊椎动物、昆虫、植物、酵母、真菌和微生物。
尿素对于生物来说基本是废物，但仍有正面价值。比如，肾小管里的尿素被引入肾皮质以提高其渗透浓度，促使水分从肾小管渗透回身体再利用。
应用
尿素在商业上，可作为：
- 特殊塑料的原料，尤其是尿素甲醛树脂
- 某些胶类的原料
- 肥料和饲料的成分
- 取代防冻的盐撒在街道，优点是不使金属腐蚀
- 加强香烟的气味
- 赋予工业生产的椒盐卷饼棕色
- 某些洗发剂、清洁剂的成分
- 急救用制冷包的成分，因为尿素与水的反应会吸热
- 处理柴油机、发动机、热力发电厂的废气，尤其可降低其中氮氧化物的含量，相关产品如环保汽车尿素
- 催雨剂的成分〈配合盐〉
- 过去用来分离石蜡，因为尿素能形成包合物
- 耐火材料
- 环保引擎燃料的成分
- 美白牙齿产品的成分
- 为化学肥料
饲料添加剂
人类粮食资源与蛋白质的短缺，也造成饲料工业一大难题。业者积极寻找蛋白质的新来源，并扩及蛋白质以外的氮来源，例如含氮量高的尿素。
1897年，Waesk 等人提出反刍动物能转化非蛋白质氮为菌体蛋白质的想法。1949年，C. J. Watson 等人喂食绵羊含有N15标记的尿素胶囊，4天后在绵羊血液、肝脏、肾脏中检验出含有N15的蛋白质。这证实了反刍动物可以利用非蛋白质氮。同年 J. K. Looli 等人以尿素当作唯一氮源喂食绵羊，发现绵羊能够正氮平衡，表明绵羊瘤胃里的微生物能利用尿素合成其生长所需的10种必需氨基酸。自此，尿素及尿素化合物成为反刍动物的饲料添加剂。
树脂
尿素是制造尿素甲醛树脂的主要物料，尿素甲醛树脂是一种透明的热固性塑胶。在弱基（氨或吡啶）之内加入甲醛和尿素，加热，经缩合反应，便会合成尿素甲醛树脂。这种树脂主要用于刨花板、纤维板和胶合板等人造板的生产。
实验室应用
尿素能非常有效的使蛋白质变性，尤其能非常有效地破坏非共价键结合的蛋白质。这特点可以提高某些蛋白质的可溶性，其浓度可达10摩尔体积。尿素也可用来制造硝酸尿素。
医学应用
皮肤科以含有尿素的某些药剂来提高皮肤的湿度。非手术摘除的指甲使用的封闭敷料中，含有40%的尿素。
测试幽门螺杆菌存在的碳-14-呼气试验，使用了含有碳14或碳13标记的尿素。因为幽门螺杆菌的尿素酶使用尿素来制造氨，以提高其周边胃里的pH值。同样原理也可测试生活在动物胃中的类似细菌。
纺织工业
尿素是纺织工业在染色和印刷时的重要辅助剂，能提高颜料可溶性，并使纺织品染色后保持一定的湿度。
生产
全世界每年工业的尿素产能约为2.2亿吨，中国目前尿素产能在7.4千万吨左右（全球占比34%）。[3][4] 商业尿素是通过氨与二氧化碳的反应生产的，成品尿素可以为药片状、颗粒状、片状、晶体或者溶液。尿素一般以药片或者颗粒的形式上市。
90%以上的生产的尿素被用作肥料。在所有的一般使用的估计氮肥料中尿素的含氮量最高（46.4%），因此相对而言其每氮营养的运输费最低。尿素在水中的可溶性非常高，因此非常适合被加在可溶的肥料中。
生产反应
商用尿素的原料是氨与二氧化碳。后者在以焦炭或烃（如天然气和石油）为原料生产氨的过程中，会大量产生。尿素因此直接从这些原料中产生。
尿素生产是一个平衡的化学反应，其反应物不完全成为反应结果。生产过程、设定的反应条件、如何处理未转化的反应物，皆可能不同。由于使用大量的反应物，未反应的反应物可用以生产其它产品，（如硝酸铵或硫酸铵），也可回收再投入反应。
实际的合成反应普遍认为应是在液相中分如下两大步完成的。
第一步是过量的液氨与干冰反应为氨基甲酸铵。由于是可逆的放热反应，反应需要带走热能的设备。
第二步是加热氨基甲酸铵为尿素；这步是一个可逆的吸热反应。反应需要带走水分的设备。
- -3.6千卡
尿素的反应总式为：
表达在该公式的生产反应总体上为一个可逆的放热反应。
脲
脲是化合物，含有官能团RR'N-CO-NRR'。这官能团的羰基带着两个有机的氨基。实验室中，光气可与此二氨基反应。脲类化合物包括过氧化脲、尿囊素、乙内酰脲。脲与双缩脲非常接近。脲的化学结构与酰胺、氨基甲酸、双偶氮化合物、碳二亚胺等接近。
其他
参考资料
- ^ Calor Nativus. Encyclopedia of Renaissance Philosophy. Cham: Springer International Publishing. 2022: 567–567. ISBN 978-3-319-14168-8.
- ^ Kurzer, Frederick; Sanderson, Phyllis M. Urea in the history of organic chemistry: Isolation from natural sources. Journal of Chemical Education. 1956-09, 33 (9) [2024-04-04]. ISSN 0021-9584. doi:10.1021/ed033p452. （原始内容存档于2024-04-04） （英语）.
- ^ 广州期货研究中心-专题报告-尿素产业链梳理与行情展望-20230815广州期货，2023年8月15日
- ^ 供需平衡有变 2024年尿素将振荡下行？ （页面存档备份，存于互联网档案馆）东方财富网，2024年1月8日