Urea
Compuesto orgánico

Urea
Nombres
Pronunciaciónurea / j ʊəˈr iː ə / , carbamida / ˈ k ɑːr b ə m aɪ d /
Nombre IUPAC preferido
Urea [1]
Nombre sistemático de la IUPAC
Diamida carbónica [1]
Otros nombres
  • Carbamida
  • Carbonildiamida
  • Carbonildiamina
  • Diaminometanal
  • Diaminometanona
Identificadores
  • 57-13-6 controlarY
Modelo 3D ( JSmol )
  • Imagen interactiva
635724
EBICh
  • CHEBI:16199 controlarY
Química biológica
  • ChEMBL985 controlarY
Araña química
  • 1143 controlarY
Banco de medicamentos
  • DB03904 controlarY
Tarjeta informativa de la ECHA100.000.286
Número EE927b (agentes de recubrimiento, ...)
1378
  • 4539
BARRIL
  • D00023 controlarY
Identificador de centro de PubChem
  • 1176
Número RTECS
  • 6250000 yenes
UNIVERSIDAD
  • 8W8T17847W controlarY
  • DTXSID4021426
  • InChI=1S/CH4N2O/c2-1(3)4/h(H4,2,3,4) controlarY
    Clave: XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N controlarY
  • InChI=1/CH4N2O/c2-1(3)4/h(H4,2,3,4)
    Clave: XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYAF
  • C(=O)(N)N
Propiedades
CO( NH2 ) 2
Masa molar60,06 g/mol
AparienciaSólido blanco
Densidad1,32 g/ cm3
Punto de fusión133 a 135 °C (271 a 275 °F; 406 a 408 K)
Punto de ebulliciónse descompone
545 g/L (a 25 °C) [2]
Solubilidad500 g/L de glicerol [3]

  50 g/L de etanol
  ~4 g/L de acetonitrilo [4]

Basicidad (p K b )13.9 [5]
Ácido conjugadoUronio
−33,4·10 −6 cm3 / mol
Estructura
4,56 D
TermoquímicaManual del CRC
−333,19 kJ/mol
−197,15 kJ/mol
Farmacología
B05BC02 ( OMS ) D02AE01 ( OMS )
Peligros
NFPA 704 (rombo cortafuegos)
NFPA 704 diamante de cuatro coloresHealth 1: Exposure would cause irritation but only minor residual injury. E.g. turpentineFlammability 1: Must be pre-heated before ignition can occur. Flash point over 93 °C (200 °F). E.g. canola oilInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
1
1
0
punto de inflamabilidadIninflamable
Dosis o concentración letal (LD, LC):
LD 50 ( dosis media )
8500 mg/kg (oral, rata)
Ficha de datos de seguridad (FDS)ICSC 0595
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Hidroxicarbamida de tiourea
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Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para los materiales en su estado estándar (a 25 °C [77 °F], 100 kPa).
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Compuesto químico

La urea , también llamada carbamida (por ser una diamida del ácido carbónico ), es un compuesto orgánico con fórmula química CO(NH 2 ) 2 . Esta amida tiene dos grupos amino (– NH 2 ) unidos por un grupo funcional carbonilo (–C(=O)–). Es por tanto la amida más simple del ácido carbámico . [6]

La urea cumple una función importante en el metabolismo celular de los compuestos que contienen nitrógeno en los animales y es la principal sustancia que contiene nitrógeno en la orina de los mamíferos . Urea es neolatín , del francés urée , del griego antiguo οὖρον ( oûron )  'orina', a su vez del protoindoeuropeo *h₂worsom .

Es un sólido incoloro, inodoro, muy soluble en agua y prácticamente no tóxico ( la LD 50 es de 15 g/kg para ratas). [7] Disuelto en agua, no es ni ácido ni alcalino . El cuerpo lo utiliza en muchos procesos, especialmente en la excreción de nitrógeno . El hígado lo forma combinando dos moléculas de amoniaco ( NH 3 ) con una molécula de dióxido de carbono ( CO 2 ) en el ciclo de la urea . La urea se utiliza ampliamente en fertilizantes como fuente de nitrógeno (N) y es una materia prima importante para la industria química .

En 1828, Friedrich Wöhler descubrió que la urea se puede producir a partir de materias primas inorgánicas, lo que supuso un hito conceptual importante en la química. Esto demostró por primera vez que una sustancia que antes solo se conocía como un subproducto de la vida se podía sintetizar en el laboratorio sin materias primas biológicas, contradiciendo así la doctrina ampliamente aceptada del vitalismo , que afirmaba que solo los organismos vivos podían producir las sustancias químicas de la vida.

Propiedades

Estructura molecular y cristalina

La estructura de la molécula de urea es O=C(−NH 2 ) 2 . La molécula de urea es plana cuando está en un cristal sólido debido a la hibridación sp 2 de los orbitales N. [8] [9] No es plana con simetría C 2 cuando está en fase gaseosa [10] o en solución acuosa, [9] con ángulos de enlace C–N–H y H–N–H que son intermedios entre el ángulo plano trigonal de 120° y el ángulo tetraédrico de 109,5°. En la urea sólida, el centro de oxígeno está involucrado en dos enlaces de hidrógeno N–H–O . La red de enlaces de hidrógeno resultante probablemente se establece a costa de un empaquetamiento molecular eficiente: la estructura es bastante abierta, las cintas forman túneles con sección transversal cuadrada. El carbono en la urea se describe como hibridado sp 2 , los enlaces CN tienen un carácter de doble enlace significativo y el oxígeno del carbonilo es relativamente básico. La alta solubilidad acuosa de la urea refleja su capacidad de participar en amplios enlaces de hidrógeno con el agua.

En virtud de su tendencia a formar estructuras porosas, la urea tiene la capacidad de atrapar muchos compuestos orgánicos. En estos llamados clatratos , las moléculas orgánicas "huésped" se mantienen en canales formados por hélices interpenetrantes compuestas de moléculas de urea unidas por enlaces de hidrógeno . De esta manera, los clatratos de urea han sido bien investigados para separaciones. [11]

Reacciones

Estructura de [Fe(urea) 6 ] 2+ que muestra enlaces de hidrógeno intramoleculares. [12] Código de color: azul = N, rojo = O.

La urea es una base débil, con un p K b de 13,9. [5] Cuando se combina con ácidos fuertes, sufre protonación en oxígeno para formar sales de uronio. [13] [14] También es una base de Lewis , que forma complejos metálicos del tipo [M(urea) 6 ] n + . [15]

La urea reacciona con ésteres malónicos para producir ácidos barbitúricos .

Termólisis

La urea fundida se descompone en cianato de amonio a unos 152 °C, y en amoníaco y ácido isociánico por encima de los 160 °C: [16]

CO(NH 2 ) 2 → [NH 4 ] + [OCN] − → NH 3 + HNCO

El calentamiento por encima de 160 °C produce biuret NH 2 CONHCONH 2 y triuret NH 2 CONHCONHCONH 2 mediante reacción con ácido isociánico: [17] [16]

CO(NH 2 ) 2 + HNCO → NH 2 CONHCONH 2
NH 2 CONHCONH 2 + HNCO → NH 2 CONHCONHCONH 2

A temperaturas más altas se convierte en una variedad de productos de condensación , incluidos el ácido cianúrico (CNOH) 3 , la guanidina HNC(NH 2 ) 2 y la melamina . [17] [16]

Estabilidad acuosa

En solución acuosa, la urea se equilibra lentamente con el cianato de amonio. Esta reacción de eliminación [18] cogenera ácido isociánico , que puede carbamilar proteínas, en particular el grupo amino N-terminal, el amino de la cadena lateral de la lisina y, en menor medida, las cadenas laterales de la arginina y la cisteína . [19] [20] Cada evento de carbamilación agrega 43 daltons a la masa de la proteína, lo que se puede observar en la espectrometría de masas de proteínas . [20] Por esta razón, las soluciones de urea pura deben prepararse y usarse recién, ya que las soluciones envejecidas pueden desarrollar una concentración significativa de cianato (20 mM en urea 8 M). [20] La disolución de urea en agua ultrapura seguida de la eliminación de iones (es decir, cianato) con una resina de intercambio iónico de lecho mixto y el almacenamiento de esa solución a 4 °C es un procedimiento de preparación recomendado. [21] Sin embargo, el cianato volverá a acumularse hasta niveles significativos en unos pocos días. [20] Alternativamente, agregar 25–50 mM de cloruro de amonio a una solución de urea concentrada disminuye la formación de cianato debido al efecto del ion común . [20] [22]

Análisis

La urea se cuantifica fácilmente mediante distintos métodos, como el método colorimétrico de la monoxima de diacetilo y la reacción de Berthelot (después de la conversión inicial de urea en amoníaco a través de la ureasa). Estos métodos son compatibles con instrumentación de alto rendimiento, como analizadores de inyección de flujo automatizados [23] y espectrofotómetros de microplacas de 96 pocillos. [24]

Las ureas describen una clase de compuestos químicos que comparten el mismo grupo funcional, un grupo carbonilo unido a dos residuos de amina orgánica: R 1 R 2 N−C(=O)−NR 3 R 4 , donde los grupos R 1 , R 2 , R 3 y R 4 son hidrógeno (–H), organilo u otros grupos. Los ejemplos incluyen peróxido de carbamida , alantoína e hidantoína . Las ureas están estrechamente relacionadas con los biurets y relacionadas en estructura con las amidas , carbamatos , carbodiimidas y tiocarbamidas .

Usos

Agricultura

Una planta en Bangladesh que produce fertilizantes de urea.

Más del 90% de la producción industrial mundial de urea se destina a su uso como fertilizante liberador de nitrógeno . [17] La ​​urea tiene el mayor contenido de nitrógeno de todos los fertilizantes nitrogenados sólidos de uso común. Por lo tanto, tiene un bajo costo de transporte por unidad de nutriente nitrogenado . La impureza más común de la urea sintética es el biuret , que perjudica el crecimiento de las plantas. La urea se descompone en el suelo para dar iones de amonio ( NH+4). La planta absorbe el amonio a través de sus raíces. En algunos suelos, el amonio es oxidado por bacterias para dar nitrato ( NO−3), que también es un nutriente vegetal rico en nitrógeno. La pérdida de compuestos nitrogenados a la atmósfera y la escorrentía es un desperdicio y perjudicial para el medio ambiente, por lo que a veces se modifica la urea para mejorar la eficiencia de su uso agrícola. Las técnicas para fabricar fertilizantes de liberación controlada que ralentizan la liberación de nitrógeno incluyen la encapsulación de urea en un sellador inerte y la conversión de urea en derivados como compuestos de urea-formaldehído , que se degradan en amoníaco a un ritmo que coincide con los requisitos nutricionales de las plantas.

Resinas

La urea es una materia prima para la fabricación de resinas a base de formaldehído , como UF, MUF y MUPF, utilizadas principalmente en paneles a base de madera, por ejemplo, tableros de partículas , tableros de fibra , OSB y madera contrachapada .

Explosivos

La urea se puede utilizar en una reacción con ácido nítrico para producir nitrato de urea , un alto explosivo que se utiliza industrialmente y como parte de algunos dispositivos explosivos improvisados .

Sistemas de automóviles

La urea se utiliza en las reacciones de reducción no catalítica selectiva (SNCR) y reducción catalítica selectiva (SCR) para reducir los contaminantes NO x en los gases de escape de la combustión de motores diésel , de combustible dual y de gas natural de combustión pobre . El sistema BlueTec , por ejemplo, inyecta una solución de urea a base de agua en el sistema de escape. El amoníaco ( NH 3 ) producido por la hidrólisis de la urea reacciona con los óxidos de nitrógeno ( NO x ) y se convierte en gas nitrógeno ( N 2 ) y agua dentro del convertidor catalítico. La conversión de NO x nocivo en N 2 inocuo se describe mediante la siguiente ecuación global simplificada: [25]

4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O

Cuando se utiliza urea, se produce una reacción previa (hidrólisis) para convertirla primero en amoníaco:

CO(NH 2 ) 2 + H 2 O → 2 NH 3 + CO 2

Al ser un sólido altamente soluble en agua (545 g/L a 25 °C), [2] la urea es mucho más fácil y segura de manipular y almacenar que el amoníaco ( NH3 ), más irritante , cáustico y peligroso , por lo que es el reactivo de elección. Los camiones y automóviles que utilizan estos convertidores catalíticos deben llevar un suministro de líquido de escape diésel , también vendido como AdBlue , una solución de urea en agua.

Usos de laboratorio

La urea en concentraciones de hasta 10  M es un potente desnaturalizante de proteínas , ya que rompe los enlaces no covalentes en las proteínas. Esta propiedad se puede aprovechar para aumentar la solubilidad de algunas proteínas. Se utiliza una mezcla de urea y cloruro de colina como disolvente eutéctico profundo (DES), una sustancia similar al líquido iónico . Cuando se utiliza en un disolvente eutéctico profundo, la urea desnaturaliza gradualmente las proteínas que se solubilizan. [26]

La urea en concentraciones de hasta 8 M se puede utilizar para hacer que el tejido cerebral fijado sea transparente a la luz visible y, al mismo tiempo, preservar las señales fluorescentes de las células marcadas. Esto permite obtener imágenes mucho más profundas de los procesos neuronales que las que se obtenían anteriormente con microscopios confocales convencionales de uno o dos fotones. [27]

Uso médico

Las cremas que contienen urea se utilizan como productos dermatológicos tópicos para promover la rehidratación de la piel . La urea al 40% está indicada para psoriasis , xerosis , onicomicosis , ictiosis , eczema , queratosis , queratodermia , callos y durezas . Si se cubren con un vendaje oclusivo , las preparaciones de urea al 40% también se pueden utilizar para el desbridamiento no quirúrgico de las uñas . La urea al 40% "disuelve la matriz intercelular" [28] [29] de la placa ungueal. Solo se eliminan las uñas enfermas o distróficas, ya que no tiene efecto sobre las partes sanas de la uña. [30] Este fármaco (como peróxido de carbamida ) también se utiliza como ayuda para eliminar la cera de los oídos. [31]

La urea también se ha estudiado como diurético . Fue utilizada por primera vez por el Dr. W. Friedrich en 1892. [32] En un estudio de 2010 sobre pacientes de la UCI, se utilizó urea para tratar la hiponatremia euvolémica y se descubrió que era segura, económica y sencilla. [33]

Al igual que la solución salina , se ha inyectado urea en el útero para inducir el aborto , aunque este método ya no se utiliza ampliamente. [34]

La prueba de nitrógeno ureico en sangre (BUN) es una medida de la cantidad de nitrógeno en la sangre que proviene de la urea. Se utiliza como un marcador de la función renal , aunque es inferior a otros marcadores como la creatinina porque los niveles de urea en sangre están influenciados por otros factores como la dieta, la deshidratación [35] y la función hepática.

La urea también se ha estudiado como excipiente en la formulación de recubrimiento de balón recubierto de fármaco (DCB) para mejorar la administración local de fármacos a los vasos sanguíneos estenóticos. [36] [37] Se descubrió que la urea, cuando se usa como excipiente en pequeñas dosis (~3 μg/mm 2 ) para recubrir la superficie del DCB, forma cristales que aumentan la transferencia de fármacos sin efectos tóxicos adversos sobre las células endoteliales vasculares . [38]

La urea marcada con carbono-14 o carbono-13 se utiliza en la prueba del aliento con urea , que se utiliza para detectar la presencia de la bacteria Helicobacter pylori ( H. pylori ) en el estómago y el duodeno de los seres humanos, asociada a las úlceras pépticas . La prueba detecta la enzima característica ureasa , producida por H. pylori , mediante una reacción que produce amoníaco a partir de la urea. Esto aumenta el pH (reduce la acidez) del entorno del estómago alrededor de la bacteria. Se pueden identificar especies de bacterias similares a H. pylori mediante la misma prueba en animales como simios , perros y gatos (incluidos los grandes felinos ).

Usos varios

Fisiología

Los aminoácidos de los alimentos ingeridos (o producidos a partir del catabolismo de las proteínas musculares) que se utilizan para la síntesis de proteínas y otras sustancias biológicas pueden ser oxidados por el cuerpo como una fuente alternativa de energía, produciendo urea y dióxido de carbono . [46] La vía de oxidación comienza con la eliminación del grupo amino por una transaminasa ; luego, el grupo amino se introduce en el ciclo de la urea . El primer paso en la conversión de aminoácidos en desechos metabólicos en el hígado es la eliminación del nitrógeno alfa-amino, que produce amoníaco . Debido a que el amoníaco es tóxico, los peces lo excretan inmediatamente, las aves lo convierten en ácido úrico y los mamíferos lo convierten en urea. [47]

El amoniaco ( NH3 ) es un subproducto común del metabolismo de los compuestos nitrogenados. El amoniaco es más pequeño, más volátil y más móvil que la urea. Si se le permite acumularse, el amoniaco elevaría el pH de las células a niveles tóxicos. Por lo tanto, muchos organismos convierten el amoniaco en urea, aunque esta síntesis tiene un costo neto de energía. Al ser prácticamente neutra y muy soluble en agua, la urea es un vehículo seguro para que el cuerpo transporte y excrete el exceso de nitrógeno.

La urea se sintetiza en el cuerpo de muchos organismos como parte del ciclo de la urea , ya sea a partir de la oxidación de aminoácidos o del amoníaco . En este ciclo, los grupos amino donados por el amoníaco y el L - aspartato se convierten en urea, mientras que la L - ornitina , la citrulina , el L - argininosuccinato y la L - arginina actúan como intermediarios. La producción de urea se produce en el hígado y está regulada por el N -acetilglutamato . Luego, la urea se disuelve en la sangre (en el rango de referencia de 2,5 a 6,7 ​​mmol/L) y luego se transporta y excreta por el riñón como un componente de la orina . Además, una pequeña cantidad de urea se excreta (junto con cloruro de sodio y agua) en el sudor .

En el agua, los grupos amina sufren un desplazamiento lento por las moléculas de agua, lo que produce amoniaco, iones amonio e iones bicarbonato . Por este motivo, la orina vieja y rancia tiene un olor más fuerte que la orina fresca.

Humanos

El ciclo y la excreción de urea por los riñones es una parte vital del metabolismo de los mamíferos. Además de su papel como transportador de nitrógeno de desecho, la urea también desempeña un papel en el sistema de intercambio a contracorriente de las nefronas , que permite la reabsorción de agua e iones críticos de la orina excretada . La urea se reabsorbe en los conductos colectores medulares internos de las nefronas, [48] aumentando así la osmolaridad en el intersticio medular que rodea la rama descendente delgada del asa de Henle , lo que hace que el agua se reabsorba.

Por acción del transportador de urea 2 , parte de esta urea reabsorbida finalmente fluye de regreso a la rama descendente delgada del túbulo, [49] a través de los conductos colectores, y hacia la orina excretada. El cuerpo utiliza este mecanismo, que está controlado por la hormona antidiurética , para crear orina hiperosmótica , es decir, orina con una mayor concentración de sustancias disueltas que el plasma sanguíneo . Este mecanismo es importante para prevenir la pérdida de agua, mantener la presión arterial y mantener una concentración adecuada de iones de sodio en el plasma sanguíneo.

El contenido de nitrógeno equivalente (en gramos ) de urea (en mmol ) se puede estimar mediante el factor de conversión 0,028 g/mmol. [50] Además, 1 gramo de nitrógeno equivale aproximadamente a 6,25 gramos de proteína , y 1 gramo de proteína equivale aproximadamente a 5 gramos de tejido muscular . En situaciones como el desgaste muscular , 1 mmol de urea excesiva en la orina (medido por el volumen de orina en litros multiplicado por la concentración de urea en mmol/L) corresponde aproximadamente a una pérdida muscular de 0,67 gramos.

Otras especies

En los organismos acuáticos , la forma más común de desecho de nitrógeno es el amoníaco, mientras que los organismos terrestres convierten el amoníaco tóxico en urea o ácido úrico . La urea se encuentra en la orina de mamíferos y anfibios , así como en algunos peces. Las aves y los reptiles saurios tienen una forma diferente de metabolismo del nitrógeno que requiere menos agua y conduce a la excreción de nitrógeno en forma de ácido úrico. Los renacuajos excretan amoníaco, pero cambian a la producción de urea durante la metamorfosis . A pesar de la generalización anterior, la vía de la urea se ha documentado no solo en mamíferos y anfibios, sino también en muchos otros organismos, incluidos pájaros, invertebrados , insectos, plantas, levaduras , hongos e incluso microorganismos . [51]

Efectos adversos

La urea puede ser irritante para la piel, los ojos y el tracto respiratorio. El contacto repetido o prolongado con la urea en forma de fertilizante en la piel puede causar dermatitis . [52]

Las concentraciones elevadas en la sangre pueden ser perjudiciales. La ingestión de concentraciones bajas de urea, como las que se encuentran en la orina humana normal , no es peligrosa si se ingiere agua adicionalmente en un período de tiempo razonable. Muchos animales (por ejemplo , camellos , roedores o perros) tienen una orina mucho más concentrada que puede contener una cantidad de urea mayor que la orina humana normal.

La urea puede provocar que las floraciones de algas produzcan toxinas, y su presencia en la escorrentía de tierras fertilizadas puede desempeñar un papel en el aumento de las floraciones tóxicas. [53]

La sustancia se descompone al calentarla por encima del punto de fusión, produciendo gases tóxicos, y reacciona violentamente con oxidantes fuertes, nitritos, cloruros inorgánicos, cloritos y percloratos, provocando incendio y explosión. [54]

Historia

La urea fue descubierta por primera vez en la orina en 1727 por el científico holandés Herman Boerhaave , [55] aunque este descubrimiento a menudo se atribuye al químico francés Hilaire Rouelle y a William Cruickshank . [56]

Boerhaave utilizó los siguientes pasos para aislar la urea: [57] [58]

  1. Se evaporó el agua, lo que dio como resultado una sustancia similar a la crema fresca.
  2. Se utilizó papel de filtro para exprimir el líquido restante.
  3. Esperé un año para que se formara un sólido debajo de un líquido aceitoso.
  4. Se eliminó el líquido aceitoso
  5. Disuelve el sólido en agua.
  6. Se utilizó la recristalización para extraer la urea.

En 1828, el químico alemán Friedrich Wöhler obtuvo urea artificialmente tratando cianato de plata con cloruro de amonio . [59] [60] [61]

AgNCO + [NH 4 ]Cl → CO(NH 2 ) 2 + AgCl

Esta fue la primera vez que se sintetizó artificialmente un compuesto orgánico a partir de materiales de partida inorgánicos, sin la participación de organismos vivos. Los resultados de este experimento desacreditaron implícitamente el vitalismo , la teoría de que las sustancias químicas de los organismos vivos son fundamentalmente diferentes de las de la materia inanimada. Esta idea fue importante para el desarrollo de la química orgánica . Su descubrimiento impulsó a Wöhler a escribir triunfalmente a Jöns Jakob Berzelius :

" Debo decirles que puedo fabricar urea sin necesidad de utilizar riñones, ni humanos ni caninos. El cianato de amonio es urea " .

De hecho, su segunda oración era incorrecta. El cianato de amonio [NH 4 ] + [OCN] − y la urea CO(NH 2 ) 2 son dos sustancias químicas diferentes con la misma fórmula empírica CON 2 H 4 , que están en equilibrio químico a favor de la urea en condiciones estándar . [62] De todos modos, con su descubrimiento, Wöhler se aseguró un lugar entre los pioneros de la química orgánica.

La escarcha urémica fue descrita por primera vez en 1865 por Harald Hirschsprung , el primer pediatra danés en 1870, quien también describió la enfermedad que lleva su nombre en 1886. La escarcha urémica se ha vuelto poco común desde la llegada de la diálisis . Es la descripción clásica de la era prediálisis de los depósitos de urea cristalizada sobre la piel de pacientes con insuficiencia renal prolongada y uremia grave. [63]

Preparación histórica

La urea fue descubierta por primera vez por Herman Boerhaave a principios del siglo XVIII a partir de evaporaciones de orina. En 1773, Hilaire Rouelle obtuvo cristales que contenían urea de la orina humana evaporándola y tratándola con alcohol en filtraciones sucesivas. [64] Este método fue ayudado por el descubrimiento de Carl Wilhelm Scheele de que la orina tratada con ácido nítrico concentrado precipitaba cristales. Antoine François, conde de Fourcroy y Louis Nicolas Vauquelin descubrieron en 1799 que los cristales nitrados eran idénticos a la sustancia de Rouelle e inventaron el término "urea". [65] [66] Berzelius realizó más mejoras en su purificación [67] y finalmente William Prout , en 1817, logró obtener y determinar la composición química de la sustancia pura. [68] En el procedimiento evolucionado, la urea se precipitó como nitrato de urea añadiendo ácido nítrico fuerte a la orina. Para purificar los cristales resultantes, se disolvieron en agua hirviendo con carbón y se filtraron. Después de enfriarse, se forman cristales puros de nitrato de urea. Para reconstituir la urea a partir del nitrato, los cristales se disuelven en agua tibia y se agrega carbonato de bario . Luego, se evapora el agua y se agrega alcohol anhidro para extraer la urea. Esta solución se drena y se evapora, dejando urea pura.

Preparación de laboratorio

Se puede acceder a las ureas en el sentido más general en el laboratorio mediante la reacción del fosgeno con aminas primarias o secundarias :

COCl 2 + 4 RNH 2 → (RNH) 2 CO + 2 [RNH 3 ] + Cl −

Estas reacciones se llevan a cabo a través de un isocianato intermedio. Se puede obtener ureas no simétricas mediante la reacción de aminas primarias o secundarias con un isocianato.

La urea también se puede producir calentando el cianato de amonio a 60 °C.

[NH 4 ] + [OCN] − → (NH 2 ) 2 CO

Producción industrial

En 2020, la capacidad de producción mundial fue de aproximadamente 180 millones de toneladas. [69]

Para su uso en la industria, la urea se produce a partir de amoníaco sintético y dióxido de carbono . Como durante el proceso de fabricación del amoníaco se producen grandes cantidades de dióxido de carbono como subproducto de la quema de hidrocarburos para generar calor (principalmente gas natural y, con menor frecuencia, derivados del petróleo o carbón), las plantas de producción de urea casi siempre se ubican adyacentes al lugar donde se fabrica el amoníaco.

Síntesis

Planta de urea que utiliza briquetas de carbamato de amonio, Laboratorio de Investigación de Nitrógeno Fijo, ca. 1930

El proceso básico, patentado en 1922, se llama proceso de urea Bosch-Meiser en honor a sus descubridores Carl Bosch y Wilhelm Meiser. [70] El proceso consta de dos reacciones principales de equilibrio , con conversión incompleta de los reactivos. La primera es la formación de carbamato : la reacción exotérmica rápida de amoníaco líquido con dióxido de carbono gaseoso ( CO 2 ) a alta temperatura y presión para formar carbamato de amonio ( [NH 4 ] + [NH 2 COO] − ): [17]

2 NH 3 + CO 2 ⇌ NH 4 CO 2 NH 2      (Δ H = −117 kJ/mol a 110 atm y 160 °C) [17] [71]

La segunda es la conversión de urea : la descomposición endotérmica más lenta del carbamato de amonio en urea y agua:

NH 4 CO 2 NH 2 ⇌ CO(NH 2 ) 2 + H 2 O      (Δ H = +15,5 kJ/mol a 160–180 °C) [17] [71]

La conversión total de NH3 y CO2 en urea es exotérmica, y el calor de reacción de la primera reacción impulsa la segunda. Las condiciones que favorecen la formación de urea (temperatura elevada) tienen un efecto desfavorable en el equilibrio de formación de carbamatos. Las condiciones del proceso son un compromiso: el efecto negativo sobre la primera reacción de la temperatura elevada (alrededor de 190 °C) necesaria para la segunda se compensa llevando a cabo el proceso a alta presión (140–175 bar), lo que favorece la primera reacción. Aunque es necesario comprimir el dióxido de carbono gaseoso a esta presión, el amoníaco está disponible en la planta de producción de amoníaco en forma líquida, que se puede bombear al sistema de forma mucho más económica. Para permitir que el tiempo de reacción de formación de urea lento alcance el equilibrio, se necesita un gran espacio de reacción, por lo que el reactor de síntesis en una gran planta de urea tiende a ser un recipiente a presión masivo.

Reciclaje de reactivos

Debido a que la conversión de la urea es incompleta, es necesario separarla de los reactivos no convertidos, incluido el carbamato de amonio. Los distintos procesos comerciales de urea se caracterizan por las condiciones en las que se forma la urea y la forma en que se procesan posteriormente los reactivos no convertidos.

Procesos de reciclaje convencionales

En las primeras plantas de urea de "paso directo", la recuperación de reactivos (el primer paso del "reciclaje") se hacía reduciendo la presión del sistema a la atmosférica para permitir que el carbamato se descompusiera de nuevo en amoníaco y dióxido de carbono. Originalmente, como no era económico volver a comprimir el amoníaco y el dióxido de carbono para reciclarlo, el amoníaco al menos se utilizaba para la fabricación de otros productos, como nitrato de amonio o sulfato de amonio , y el dióxido de carbono se desperdiciaba habitualmente. Los esquemas de procesos posteriores hicieron que el reciclaje del amoníaco y el dióxido de carbono no utilizados fuera práctico. Esto se logró mediante el "proceso de reciclaje total", desarrollado entre los años 1940 y 1960 y ahora llamado "proceso de reciclaje convencional". Se procede despresurizando la solución de reacción en etapas (primero a 18-25 bar y luego a 2-5 bar) y pasándola en cada etapa a través de un descomponedor de carbamato calentado con vapor, para luego recombinar el dióxido de carbono y el amoníaco resultantes en un condensador de carbamato de película descendente y bombeando la solución de carbamato nuevamente al recipiente de reacción de urea. [17]

Proceso de reciclaje de desmontaje

El "proceso de reciclado convencional" para recuperar y reutilizar los reactivos ha sido reemplazado en gran medida por un proceso de desorción , desarrollado a principios de los años 1960 por Stamicarbon en los Países Bajos, que funciona a la presión máxima del recipiente de reacción o cerca de ella. Reduce la complejidad del esquema de reciclado en varias etapas y reduce la cantidad de agua reciclada en la solución de carbamato, lo que tiene un efecto adverso en el equilibrio de la reacción de conversión de urea y, por lo tanto, en la eficiencia general de la planta. En la práctica, todas las nuevas plantas de urea utilizan el desorción, y muchas plantas de urea de reciclaje total se han convertido a un proceso de desorción. [17] [72]

En los procesos de reciclado convencionales, la descomposición del carbamato se promueve reduciendo la presión general, lo que reduce la presión parcial tanto del amoníaco como del dióxido de carbono, lo que permite separar estos gases de la solución de urea. El proceso de desorción logra un efecto similar sin reducir la presión general, suprimiendo la presión parcial de solo uno de los reactivos para promover la descomposición del carbamato. En lugar de alimentar el gas de dióxido de carbono directamente al reactor de síntesis de urea con el amoníaco, como en el proceso convencional, el proceso de desorción primero dirige el dióxido de carbono a través del desorción. El desorción es un descomponedor de carbamato que proporciona una gran cantidad de contacto gas-líquido. Esto elimina el amoníaco libre, reduciendo su presión parcial sobre la superficie del líquido y llevándolo directamente a un condensador de carbamato (también bajo presión total del sistema). Desde allí, el licor de carbamato de amonio reconstituido pasa al reactor de producción de urea. Eso elimina la etapa de presión media del proceso de reciclado convencional. [17] [72]

Reacciones secundarias

Las tres reacciones secundarias principales que producen impurezas tienen en común que descomponen la urea.

La urea se hidroliza nuevamente a carbamato de amonio en las etapas más calientes de la planta de síntesis, especialmente en el separador, por lo que los tiempos de residencia en estas etapas están diseñados para ser cortos. [17]

El biuret se forma cuando dos moléculas de urea se combinan con la pérdida de una molécula de amoníaco.

2 NH 2 CONH 2 → NH 2 CONHCONH 2 + NH 3

Normalmente, esta reacción se suprime en el reactor de síntesis manteniendo un exceso de amoniaco, pero después del despojo, ocurre hasta que se reduce la temperatura. [17] El biuret no es deseable en fertilizantes de urea porque es tóxico para las plantas de cultivo en diversos grados, [73] pero a veces es deseable como fuente de nitrógeno cuando se usa en alimentos para animales. [74]

El ácido isociánico HNCO y el amoniaco NH 3 resultan de la descomposición térmica del cianato de amonio [NH 4 ] + [OCN] − , que está en equilibrio químico con la urea:

CO(NH 2 ) 2 → [NH 4 ] + [OCN] − → HNCO + NH 3

Esta descomposición es más grave cuando la solución de urea se calienta a baja presión, lo que ocurre cuando la solución se concentra para su granulación (véase más adelante). Los productos de la reacción se volatilizan principalmente en los vapores de cabeza y se recombinan cuando estos se condensan para formar urea nuevamente, lo que contamina el condensado del proceso. [17]

Corrosión

Las soluciones de carbamato de amonio son altamente corrosivas para los materiales de construcción metálicos, incluso para las formas resistentes de acero inoxidable , especialmente en las partes más calientes de la planta de síntesis, como el desoxidante. Históricamente, la corrosión se ha minimizado (aunque no eliminado) mediante la inyección continua de una pequeña cantidad de oxígeno (como aire) en la planta para establecer y mantener una capa de óxido pasivo en las superficies expuestas de acero inoxidable. Se han introducido materiales altamente resistentes a la corrosión para reducir la necesidad de oxígeno de pasivación, como aceros inoxidables dúplex especializados en la década de 1990 y tubos de circonio o titanio revestido de circonio en la década de 2000. [17]

Refinamiento

La urea se puede producir en formas sólidas ( gránulos , pellets o cristales) o como soluciones.

Formas sólidas

Para su uso principal como fertilizante, la urea se comercializa principalmente en forma sólida, ya sea como gránulos o perlas. Los gránulos son gotitas solidificadas, cuya producción es anterior a los procesos satisfactorios de granulación de urea. Los gránulos se pueden producir de forma más económica que los gránulos, pero el tamaño limitado de los gránulos (hasta aproximadamente 2,1 mm de diámetro), su baja resistencia al aplastamiento y el apelmazamiento o aplastamiento de los gránulos durante el almacenamiento y la manipulación a granel los hacen inferiores a los gránulos. Los gránulos se producen por acreción sobre partículas de semillas de urea rociando urea líquida en una sucesión de capas. Se agrega formaldehído durante la producción tanto de gránulos como de perlas para aumentar la resistencia al aplastamiento y suprimir el apelmazamiento. También se utilizan otras técnicas de conformación como la pastilización (depositar gotas de líquido de tamaño uniforme sobre una cinta transportadora de enfriamiento). [17]

Formas liquidas

Las soluciones de urea y nitrato de amonio en agua (UAN) se utilizan comúnmente como fertilizante líquido. En la mezcla, la solubilidad combinada del nitrato de amonio y la urea es mucho mayor que la de cada componente por separado, por lo que da una solución estable con un contenido total de nitrógeno (32%) que se acerca al del nitrato de amonio sólido (33,5%), aunque no, por supuesto, al de la propia urea (46%). La UAN permite el uso de nitrato de amonio sin el riesgo de explosión. [17] La ​​UAN representa el 80% de los fertilizantes líquidos en los EE. UU. [75]

Véase también

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  • Urea en la base de datos de propiedades de pesticidas (PPDB)
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