Urea (karbonyldiamid, urinstoff (NH2)2C=O) er løselig i vann og anvendes som gjødsel spesielt på planter som vokser på steder med liten nitrifikasjon, f.eks. barskog og rismarker hvor det meste av nitrogenet fra nedbrytning av organisk materiale foreligger som ammonium (NH4+). Urea har blitt brukt som bladgjødsel. Urea er et resonansstabilisert molekyl.
Urea er også anvendt i hudkremer under navnet karbaderm.
Friedrich Wöhler (1800-1882) syntetiserte urea i 1828 ved å la ammoniumklorid ((NH4Cl) reagere med kaliumsølvcyanat (KAg(CN)2) og danne ammoniumcyanat (NH4OCN). Ammoniumcyanat der ustabilt og dekomponerer:
NH4OCN → NH3 + HOCN →(NH2)2CO
Wöhler syntetiserte også urea fra blycyanat (Pb(CN)2) og ammoniumhydroksid (NH4OH), og viste derved at syntesen av organiske molekyler ikke er avhengig av organismer og en eventuell "vitalkraft", et viktig argument i diskusjonen levende-ikkelevende. Vitalismeteorien fikk et skudd for baugen.
Urea løst i vann blir brukt til å fjerne nitrogenoksider (NOx) fra eksosen til dieselbiler.
Urease - enzym som nedbryter urea
Enzymet urease katalyserer reaksjonen hvor urea hydrolyserer og det dannes ammoniakk (NH3) og karbondioksid (CO2). Ammoniakk er i pH-likevekt med ammonium (NH4+).
CO(NH2)2 + H2O ⇒ 2NH3 + CO2
Urease var det første enzymet som ble krystallisert. I 1926 isolerte James B Sumner urease fra jackbønner (Cananvalia ensiformis), og fikk nobelprisen i kjemi i 1946 for dette arbeidet. Urea er et enzym bestående av 840 aminosyrer og inneholder nikkel. Urease finnes i bakterier, sopp, alger, planter og hos noen invertebrater. Enzymet finnes også i jord. Ved spiring av bønner er urease et aktivt enzym som deltar i nedbrytning av protein og aminosyrer, spesielt aminosyren arginin. Pattedyr og amfibier lager urea som skilles ut via urinen som kan inneholde 2% urea. Et voksent menneske kan skille ut ca. 30 g urea per dag som en del av nitrogenmetabolismen. Urea finnes i blad, svette og i magen. Urea dannes i ureasyklus (ornitinsyklus), biokjemisk omsetningsvei som fjerner ammonium fra metabolismen i form av urea hos pattedyr.
Urea dannet fra ammonium fra aminosyrer i protein, og ammonium er giftig og må fjernes
Ca. 100 millioner tonn blir laget hvert år, mesteparten brukt som gjødsel, kosmetikk, og til industriell bruk i reaksjon med formaldehyd eller salpetersyre. Farging av bakeverket saltkringle (Pretzels). Noe urea omdannes til ammonium som kan fordampe ut i atmosfæren som ammoniakk ved høy pH
Ureasyklus (ornitinsyklus)
Ureasyklus (Krebs-Henseleit syklus) ble oppdaget av Hans Krebs (1900-1981) og Kurt Henseleit (1908-1973) i 1932, og er lokalisert til lever. Nedbrytning av aminosyrer (katabolisme) gir giftig ammonium som må fjernes fra metabolismen. Vannlevende dyr kan skille ut ammonium i vannmassene. Pattedyr omsetter ammonium til urea som skilles ut via urinen. Krypdyr og fugler lager tungtløselig urinsyre, for å unngå forgiftning av fosteret i eggstadiet. I første trinn blir ammonium i en ATP-avhengig reaksjon med hydrogenkarbonat omdannet til karbomylfosfat, katalysert av karbomylfosfat syntetase. Karbomylfosfat går deretter inn i ureasyklus og blir i reaksjon med aminosyren ornitin omdannet til aminosyren citrullin, reaksjoner lokalisert til mitokondriene. I cytosol skjer det en reaksjon mellom citrullin og aspartat i en ATP-avhengig reaksjon hvor det dannes argininosuccinat, katalysert av argininosuccinat syntetase. Argininosuccinat spaltes til aminosyren arginin og fumarat, katalysert av argininosuccinat lyase. Enzymet arginase i cytosol hydrolyserer arginin til ornitin og urea. Sammenlignet med ammonium er urea lite giftig. Arginin er utgangsmateriale for å lage signalmolekylet NO hos dyr.
Hos drøvtyggere kan urea i vomma bli brukt som N-kilde for mikroorganismene.
De fleste av enzymene i ureasyklus er også funnet i planter. L-arginin er en aminosyre som inneholder mye nitrogen, er en viktig lagrings- og transportform for nitrogen, og inngår i tillegg til proteiner i andre reaksjoner som biosyntese av polyaminer. Ureasyklus er også i diatomeer.
Den patogene bakterien Helicobacter pylori som gir magesår skiller ut enzymet urease som bakterien bruker til å nøytralisere magesyren hvor pH kan stige fra 3 til 7.
Urease isolert fra imbiberte bønner kan påvises ved bruk av pH-indikator, et system som kan anvendes i skoleforsøk hvor anthocyaniner kan brukes som pH-indikator.
Melamin fra urea
Melamin aminoplast i reaksjon mellom melamin (C3H6N6) og formaldehyd er en polymer brukt som plasttallerkener, plastkopper og respatex. Malaminskum brukt til isolasjon. Melamin-urea blir brukt til lim i limtre og sponplater. Melamin-formaldehyd-urea harpiks (resin). Justus von Liebig var den første som syntetiserte melamin. Kan lages fra kalsiumcyanamid [Ca2+] [-N=C=N-] som i Frank-Caro-prosessen og 2-cyanoguanidin (NH2)2C=N-C≡N) som er en dimer av cyanamid
Melamin blir laget fra urea
6(NH2)2CO → C3N3(NH2)3 + 6NH3 + 3CO2
En alternative reaksjon er fra urea via isocyansyre (HN=C=O)
6(NH2)2CO → 6HCNO + 6NH3
NHCNO → C3N3(NH2)3 + 3CO2
I 2008 en melkeskandale i Kina hvor melamin var tilsatt melkepulver til barn som ga forgiftninger, nyreskader og nyrestein. Melamin har også blitt tilsatt dyrefor som falskneri for tilsynelatende å inneholde protein. Kina har hatt en lang rekke matskandaler, og bør også være som advarsel mot urtemedisin fra Kina.
Ureaformaldehyd laget fra urea og formaldehyd festemiddel i laminert kryssfiner. Formaldehyd kan være kreftfremkallende.
Fjerning av NOx fra dieseleksos
En løsning med urea i deionisert vann blir brukt som tilsetningsstoff i selektiv katalytisk reduksjon av nitrogenoksider (NOx) fra dieseleksos i dieselmotorer. Vannet fordamper og urea blir termisk spaltet til ammoniakk (NH3) og isocyansyre (HNCO), hvor sistnevnte reagerer med vann, hydrolyseres lett:
HNCO + H2O → CO2 + NH3
Ammoniakk gir katalytisk reduksjon av nitrogenoksidene NO og nitrogendioksid (NO2):
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
6NO2 + 8NH3 + 3O2 → 7N2 + 12H2O
Isocyansyre (HN=C=O), protonert cyanat (OCN-), er giftig, ble oppdaget av de tyske kjemikerne Justus von Liebig (1803-1873) og Friedrich Wöhler (1800-1882), og er den enkleste kjemiske strukturen som inneholder grunnstoffene hydrogen, nitrogen, karbon og oksygen. Cyanater har bindingen C-OCN, trippelbinding mellom C og N, mens isocyanater har bindingen C-N=C=O. Isocyansyre (HNCO) kan også bli dannet ved lavtemperaturforbrenning og finnes i tobakksrøyk, og kan være en del av luftforurensningen.
Nitrogenoksider og ozonsyklus i troposfæren
Nitrogenoksider (NOx) blir oksidert til salpetersyre (HNO3) i atmosfæren som gir forsuring, og tilførsel av nitrat gir ukontrollert økt plantevekst, spesielt i N-fattige økosystemer hvor slik påvirkning gir uønsket endring i artssammensetning og økosystemendringer, bl.a. økt algevekst I tillegg deltar NOx i dannelsen av bakkenært ozon i atmosfæren som inngår i fotokjemisk smog, når nitrogenmonoksid (NO) reagerer med andre stoffer i troposfæren og forstyrrer den naturlige ozonsyklus.
Litteratur
Wöhler, Friedrich: Ueber künstliche Bildung des Harnstoffs. Annalen der Physik und Chemie. 88(2)(1828) 53–256.
Wikipedia