尿素
尿素是由碳、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。
尿素在肝合成,是哺乳动物排出的体内含氮代谢物。这代谢过程称为尿素循环。
尿素是第一种以人工合成无机物质而得到的有机化合物。活力论从此被推翻。
尿素 | |
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IUPAC名/carbonyl diamide/碳酰二胺 | |
英文名 | Urea |
别名 | 脲 |
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) |
溶解性(水) | 167 g/100 mL (40 °C) |
溶解性(水) | 251 g/100 mL (60 °C) |
溶解性(水) | 400 g/100 mL (80 °C) |
溶解性(水) | 733 g/100 mL (100 °C) |
临界相对湿度 | 81% (20 °C)/73% (30 °C) |
危险性⚠️ | |
主要危害 | 有毒 |
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。 |
发现
1773年,伊莱尔·罗埃尔(Hilaire-Marin Rouelle)发现尿素。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:
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。
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量约为十亿吨。中国目前尿素产能在6400万吨,年产量约5700万吨。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。
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