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Harnstoff

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Strukturformel
Strukturformel von Harnstoff
Allgemeines
Name Harnstoff
Andere Namen
Summenformel CH4N2O
Kurzbeschreibung

farb- und geruchloser, kristalliner Feststoff[3]

Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 57-13-6
EG-Nummer 200-315-5
ECHA-InfoCard 100.000.286
PubChem 1176
ChemSpider 1143
DrugBank DB03904
Wikidata Q48318
Arzneistoffangaben
ATC-Code
Eigenschaften
Molare Masse 60,06 g·mol−1
Aggregatzustand

fest

Dichte

1,34 g·cm−3[4]

Schmelzpunkt

133 °C(Zersetzung)[4]

Dampfdruck

1,6·10−3Pa(25 °C)[5]

pKS-Wert
Löslichkeit

sehr gut in Wasser:

  • 790 g·l−1(bei 5 °C)[8]
  • 1200 g·l−1(bei 25 °C)[8]
Sicherheitshinweise
Bitte die Befreiung von derKennzeichnungspflichtfür Arzneimittel, Medizinprodukte, Kosmetika, Lebensmittel und Futtermittel beachten
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[4]
keine GHS-Piktogramme

H- und P-Sätze H:keine H-Sätze
P:keine P-Sätze
Toxikologische Daten
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0

−333,1 kJmol−1[10]

Soweit möglich und gebräuchlich, werdenSI-Einheitenverwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten beiStandardbedingungen(0 °C, 1000 hPa).

Harnstoff[11](lateinischundenglischurea), chemisch dasDiamidderKohlensäure,ist eineorganische Verbindung.Er spielt eine wichtige Rolle in vielen biologischen Prozessen wie demStoffwechselvonProteinen.BeiSäugetierenist Harnstoff einharnpflichtigesStoffwechselprodukt,das hauptsächlich mit demUrinund in geringem Umfang mit demSchweiß[12]ausgeschieden wird.

Reiner Harnstoff, 1828 erstmals synthetisch hergestellt, ist ein weißer, kristalliner, geruchloser, ungiftiger und hygienisch unbedenklicher Feststoff, der sich gut in Wasser löst. Mit einem Produktionsvolumen von etwa 200 Millionen Tonnen pro Jahr ist er eine der meisthergestellten Chemikalien. Harnstoff ist ein viel genutzterStickstoffdüngerundAusgangsstofffür diechemische Industrie,etwa für die Herstellung vonHarnstoffharzen,die alsKlebstoff,zurImprägnierungoderIsolierungeingesetzt werden. Harnstoff dient darüber hinaus als Grundlage für die Synthese vonMelamin,Barbitursäure,Coffein,Hydrazinund weiteren Chemikalien.

In der Ernährung vonWiederkäuernlässt sich Harnstoff als Stickstoffquelle für die Bildung von Proteinen nutzen. DieListe der unentbehrlichen Arzneimittel der Weltgesundheitsorganisationführt Harnstoff als in Salben und Cremes angewandtes,keratolytischesund hautanfeuchtendes Mittel bei trockenen, rissigen und juckenden Hautzuständen.

Die Herstellung von Harnstoff aus anorganischen Ausgangsmaterialien war ein wichtiger konzeptioneller Meilenstein der Chemie und gilt als die Geburtsstunde derBiochemie.Diese Synthese zeigte, dass einStoffwechselproduktim Labor ohne biologische Ausgangsmaterialien hergestellt werden kann, und führte letztendlich zum Fall der Lehre vomVitalismus.

Geschichte

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Herman Boerhaave,Gemälde von Cornelis Troost (1697–1750)
Friedrich Wöhler,etwa 1856

Der Niederländische ChemikerHerman Boerhaaveentdeckte 1727 bei der Untersuchung von Urin den Harnstoff, den ersal nativus urinaenannte, „natürliches Salz des Harns “.[13]Hilaire-Marin Rouellegelang 1773 ebenfalls die Gewinnung von Harnstoff mit einer alkoholischen Fällung aus Urinrückständen.[14]1797 zeigteWilliam Cruickshank,dass im Urin eine kristallisierbare Substanz vorhanden ist, die durch Salpetersäure gefällt werden kann. Damit hatte er den Harnstoff dargestellt.[15][16]Louis-Nicolas Vauquelinwies (mit seinemDoktorvaterA. F. de Fourcroy)[17]Harnstoff im Tierharn nach und berichtete im Jahr 1800 darüber. Er wies außerdem nach, dass die von Rouelle gefundene Substanz identisch war mit einer Substanz, dieCarl Wilhelm Scheeledurch die Behandlung von Urin mit konzentrierterSalpetersäureerhalten hatte, und nannte die Substanz Harnstoff. 1812 stellte der ZoologeJohn Davy,ohne zu wissen um was es sich bei dem Reaktionsprodukt handelte, ausPhosgenundAmmoniakkünstlichen Harnstoff her.[17]William Proutbestimmte 1817 die chemische Zusammensetzung von Harnstoff.[18]

Friedrich Wöhlerstellte Harnstoff erstmals 1828 durch die Reaktionen vonSilbercyanat(AgOCN) undAmmoniumchlorid(NH4Cl)

beziehungsweise vonBleicyanat(Pb(OCN)2) und flüssigem Ammoniak her.[19]

Die ZwischenverbindungAmmoniumcyanat(NH4OCN) erkannte er dabei als die eigentliche Harnstoffquelle.

Harnstoffsynthese nach Wöhler

Harnstoff gilt als die erste aus anorganischen Ausgangsstoffen synthetisierte organische Verbindung. Das widersprach der damals verbreiteten Vorstellung, dass organische Substanzen grundsätzlich nur von Lebewesen durch die so genanntevis vitalis(Lebenskraft) hergestellt werden könnten. Genau genommen erbrachte Wöhler bereits 1824 durch die Hydrolyse vonDicyanzuOxalsäureden Nachweis, dass es für die Synthese organischer Moleküle nicht der „Lebenskraft “bedarf.[20]

Ammoniakproduktion 1946–2007

Im Jahr 1868 beschriebAlexander Basarofferstmals die kommerziell anwendbare Herstellung von Harnstoff ausAmmoniumcarbamat,welches unter Druck aus Ammoniak und Kohlenstoffdioxid zugänglich ist.[21]

Die großtechnische Realisierung dieses Verfahrens gelangCarl Boschim Jahr 1922, nachdem Ammoniak in großen Mengen durch dasHaber-Bosch-Verfahrensowie die erforderliche Hochdrucktechnik zur Verfügung stand.[22]Mit dem weltweiten Bau von Haber-Bosch-Anlagen nach demZweiten Weltkriegstieg die Produktion von Harnstoff parallel zur Produktion von Ammoniak rasch an.

Vorkommen

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Schema desStickstoffkreislaufs

Harnstoff synthetischer oder biologischer Natur, der in die Umwelt gelangt, wird meist schnell von Bakterien inAmmonium-,Nitrit- undNitrationenumgesetzt und wird somit Teil desStickstoffkreislaufs.Zusammen mitHarnsäureist Harnstoff Bestandteil der Ausscheidungen von Vögeln und Fledermäusen und kommt inFledermausguano(Chiropterit)sowie in geringen Mengen inGuanovor.[23]

Als Mineral ist Harnstoff nur unteraridenBedingungen stabil. Harnstoff wurde 1973 als natürliches Sekundärmineral beiToppin HillamLake Rason(Westaustralien) gefunden, vergesellschaftet mitAmmoniumaphthitalit,Ammoniumphosphaten undWeddellit.[24]Es wurde von derInternational Mineralogical Association(IMA) als eigenständigesMineralanerkannt. Diese führt es gemäß derSystematik der Minerale nach Strunz (9. Auflage)als „Diverse organische Verbindungen “unter der System-Nr. „10.CA.35 “. Die im englischsprachigen Raum ebenfalls geläufigeSystematik der Minerale nach Danaführt das Mineral unter der System-Nr. „50.4.6.1 “.[25]

Herstellung

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Prillturm einer Harnstoffanlage,Borealis Agrolinz Melaminein Linz

Harnstoff lässt sich im Labormaßstab durch Reaktion vonAmmoniakmitPhosgenoderKohlensäureesternherstellen oder durchHydrolysevonCyanamid.Industriell wird Harnstoff in großen Mengen hergestellt, im Jahr 2012 weltweit rund 184 Millionen Tonnen.[26]Nach Angaben derInternational Fertilizer Industry Association(IFA) wird zwischen 2013 und 2018 eine weitere Steigerung der Produktionskapazität um 41 Millionen Tonnen erwartet, davon 5 Millionen Tonnen in den Vereinigten Staaten. Der Kapazitätsausbau in den USA ist auf den Ausbau derSchiefergasförderungzurückzuführen.[27]

Zur Herstellung von Harnstoff dienen große Anlagen, die ausErdgas,Luft und Wasser im Haber-Bosch-Verfahren zunächst Ammoniak und schließlich Harnstoff herstellen. Das vorher bei der Wasserstoffherstellung abgetrennteKohlenstoffdioxidwird zu zwei Dritteln bei der Produktion von Harnstoff gebunden.[28]

Die industrielle Produktion von Harnstoff in einem Hochdruckverfahren geht aufCarl Boschund Wilhelm Meiser zurück.[22]DieBASFnahm 1922 die erste Produktionsanlage in Betrieb, bei der sich in einem Hochdruckreaktor im ersten Schritt bei 150baraus Ammoniak und Kohlenstoffdioxid in einer mit −117 kJ·mol−1exothermenReaktion Ammoniumcarbamat (NH4CO2NH2) bildete:[29]

Ammoniumcarbamat reagiert in einer mit +15,5 kJ·mol−1endothermen Reaktionweiter zu Harnstoff und Wasser:[29]

Es handelt sich um eine Gleichgewichtsreaktion. Zur Optimierung der Ausbeute wird mit einem Überschuss von Ammoniak gearbeitet. In den Prozess zurückgeführte Gase sollten möglichst wasserfrei sein, da Wasser das Gleichgewicht auf die Seite des Ammoniumcarbamats verschiebt.[29]Die Gesamtreaktion ist exotherm. Als Nebenprodukt entsteht unter anderemIsocyansäure.

Die Reaktion lässt sich durch Arbeiten in einem Ammoniaküberschuss unterdrücken.[30]Überschüssiges Ammoniak verwendete die BASF zunächst zur Herstellung vonAmmoniumsulfatundAmmoniumnitrat.Ende der 1920er Jahre wurde das Verfahren verbessert und überschüssiges Ammoniak in den Produktionsprozess zurückgeführt. Hieraus entwickelten sich verschiedene Totalkreislaufverfahren, etwa vonDuPont,PechineyoderStamicarbon.[28]

Die Prozesse unterscheiden sich in der Art der Zersetzung von Ammoniumcarbamat, der Abtrennung und Wiedergewinnung von Kohlenstoffdioxid und Ammoniak sowie der Verarbeitung des Harnstoffs.[28]Die Reaktionstemperaturen liegen je nach Prozess zwischen 170 und 220 °C, der Reaktionsdruck zwischen 125 und 250 bar.[30]Allen modernen industriellen Verfahren ist gemeinsam, dass die Überschussgase wieder in den Reaktor zurückgeführt werden, wobeiStrippingverfahreneingesetzt werden.[28]

Für die Produktion von einer Tonne Harnstoff werden 0,58 Tonnen Ammoniak und 0,76 Tonnen Kohlenstoffdioxid benötigt. Je nach Prozess werden zwischen 85 und 160 kWh elektrischer Energie sowie zwischen 0,9 und 2,3 Tonnen Dampf benötigt.[28]

Eine wichtige Überlegung bei der Prozessauslegung ist die Begrenzung des Gehaltes anBiuret,das sich aus Harnstoff bei Temperatureinwirkung bildet und als Verunreinigung in industriell hergestelltem Harnstoff vorhanden ist. Der Gehalt an Biuret im Harnstoff muss begrenzt werden, meist kleiner als 1,0 %, da sich Biuret hemmend auf die Entwicklung von Saatgut und das gesunde Pflanzenwachstum auswirkt.[31][28]

Der zunächst in Lösung anfallende Harnstoff wird traditionell durch Prillieren, auchSprühkristallisationgenannt, in ein feinkörnigesSchüttgutmit einer Korngröße von etwa zwei Millimetern umgewandelt und sackweise oder lose vertrieben. Dazu wird in einem Prillturm eine flüssige Harnstoffschmelze in kleine Tropfen zerteilt und dem freien Fall übergeben; große Ventilatoren am Kopf des Turms saugen kalte Frischluft im Gegenstrom an, wodurch die Flüssigkeit während des Falls zu festen Kügelchen erstarrt. Durch das Schmelzen und Erkalten bildet sich eine relativ kleine Oberfläche, der Harnstoff wird dadurch unter anderem wenigerhygroskopischund die Fließeigenschaften erhalten sich dadurch über mehrere Monate.[32]Da Prills besonders bezüglich Größe und Festigkeit Nachteile aufweisen, wird fester Harnstoff in neueren Düngemittelanlagen fast ausschließlich granuliert, wobei die Sprühgranulation in einem Fließbett die modernste und in Neuanlagen fast ausschließlich verwendete Technologie darstellt. Die größten Anlagen der Welt produzieren in einer Produktionslinie etwa 4000 Tonnen Harnstoff am Tag.[29]

Harnstoffanlagen mit Kapazitäten von 50 mtpd bis 6000 mtpd werden u. a. von der Firma thyssenkrupp Uhde in Lizenz gebaut. Diese Anlagen sind standardmäßig mit Granulationstechnologie von thyssenkrupp Fertilizer Technology ausgestattet, während für die Synthese die Technologie von Stamicarbon verwendet wird.

Harnstoff mit einem geringeren Gehalt an Biuret lässt sich durch die Kristallisation aus derMutterlaugegewinnen. Das Biuret verbleibt in der wässrigen Phase und kann so abgetrennt werden. Die Weiterverarbeitung kann ebenfalls mittels Prillieren erfolgen.[33]

Eigenschaften

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Physikalische Eigenschaften

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Kristallstruktur von Harnstoff
_Sauerstoff,_Stickstoff,
_Kohlenstoff,_Wasserstoff

Harnstoff ist unterStandardbedingungenein farbloser kristalliner Feststoff mit einer Dichte von 1,32 g/cm3.[3]Er schmilzt im Bereich von 132,5 bis 134,5 °C unter Zersetzung. Der Dampfdruck bei 75 °C beträgt 0,2Pascal.[4]Harnstoff löst sich sehr gut in Wasser und anderen polaren Lösungsmitteln; dabei löst sich ein Gramm Harnstoff in 1,5 ml Wasser, 10 ml Ethanol, 6 ml Methanol oder 2 ml Glycerin.[34]

Harnstoff kristallisiert imtetragonalen Kristallsystemmit derRaumgruppeP421m(Raumgruppen-Nr. 113)Vorlage:Raumgruppe/113mit den Gitterparameterna= 564,6 pm,c= 470 pm und einem Verhältnis vona:c= 1: 0,833.[35][36]Er entwickelt farblose bis blass-gelbe oder blass-braune, nadelförmige Kristalle.[36]Fester Harnstoff weist am Sauerstoffatom zwei N–H–O-Wasserstoffbrückenbindungenauf, die Distanz zwischen den Sauerstoff- und den Wasserstoffatomen beträgt 299 Pikometer und 304 Pikometer.[35]Unter hohem Druck brechen die vorhandenen Wasserstoffbrückenbindungen unter anschließender Ausbildung neuer Bindungen. Ab einem Druck von 4800 bar bildet sich eineorthorhombische Phasemit derRaumgruppeP212121(Raumgruppen-Nr. 19)Vorlage:Raumgruppe/19.[37]

Die Kristallstruktur besteht aus Bändern in Helixform, die organische Verbindungen als Gastmoleküle einlagern können. In diesenClathratenwerden die organischen Gastmoleküle in den Kanälen, die durch interpenetrierende Helices von Wasserstoff-gebundenen Harnstoffmolekülen gebildet werden, gehalten. Dieses Verhalten kann zur Trennung von linearen und verzweigtenKohlenwasserstoffgemischenverwendet werden, beispielsweise in derHarnstoff-Extraktiv-Kristallisation.[38]

Chemische Eigenschaften

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  • Harnstoff löst sich leicht in Wasser undEthanol,aber nicht inDiethyletheroderBenzol.Die wässrige Lösung reagiert neutral. Mit Säuren bildet sich die protonierte Form [NH2C(OH)NH2]+.[39]Die Harnstoffsalze derSalpetersäuresindExplosivstoffe.Beim Erhitzen der wässrigen Lösung mit Säuren zerfällt Harnstoff in Kohlenstoffdioxid undAmmoniumsalze,beim Erhitzen mit Laugen inCarbonateund Ammoniak.
  • Harnstoff kondensiert beim Erhitzen über den Schmelzpunkt unter Abspaltung von Ammoniak zunächst zuIsocyansäure,die mit Harnstoff weiter zuBiuretreagiert:[29]
Synthese von Biuret
Synthese von Biuret

Bei höheren Temperaturen bilden sich weitere Kondensationsprodukte wieTriuret,GuanidinundMelamin.[29]

DieseTransamidierungensind wichtige Reaktionen zur generellen Darstellung von Harnstoffderivaten:[40]

Methylolierung von Harnstoff

Diese reagieren in einerKondensationsreaktionunter Freisetzung von Wasser und Ausbildung vonMethylengruppenzuHarnstoffharzen:

Bildung des Vorkondensats

Der Wasserstoff lässt sich durch verschiedene Reaktionen teilweise oder ganz durch andere Substituenten ersetzen. MitBenzoylchloridenetwa entstehenImidewieBenzoylharnstoffe,durch Reaktion mitSulfonylchloridentstehenSulfonylharnstoffe.

Durch Erhitzen auf etwa 200 bis 300 °C bildet sichCyanursäure.[42]

  • Harnstoff zerfällt bei sehr hohen Temperaturen zu Ammoniak und Kohlendioxid

Das dabei entstehende Ammoniak wird imSNR-Verfahrengenutzt, um die in Abgasen von Kraftwerken und Verbrennungsmotoren enthaltenenStickoxidezum elementarenStickstoffzu reduzieren

Molekulare Eigenschaften

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Bindungslängen und -winkel

Das Kohlenstoff-Atom des Harnstoffmoleküls ist trigonal planar koordiniert (grob:sp2-hybridisiert), die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen weisen einen signifikanten Doppelbindungscharakter auf und sind, verglichen mit den Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen inAlkylaminen,um etwa 10Pikometerkürzer. Der Atomabstand zwischen Stickstoff und Wasserstoff beträgt 105 Pikometer, der Abstand zwischen Stickstoff und Kohlenstoff beträgt 134 Pikometer und der Abstand zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff beträgt 126 Pikometer.[35]Der N–C–O-Winkel beträgt 121°.[35]Das Molekül weist insgesamtC2v-Symmetrieauf.[44]

Die Streckschwingung νN–Hliegt iminfrarotenBereich des Spektrums bei einerWellenzahlvon 3396 cm−1und damit höher als bei Ammoniak, das eine Wellenzahl von 3372 cm−1aufweist. Die νC=O-Streckschwingung liegt bei 1687 cm−1und weist auf eine Resonanz zwischen einer Carbonyl- und Alkoholatstruktur hin. Die νC-N-Streckschwingung liegt bei 1465 cm−1.[45]

Verwendung

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EineindustrielleVerwendungsmöglichkeit von Harnstoff ist die Herstellung vonMelamin,das z. B. mit Formaldehyd zu Kunstharzen verarbeitet wird, und vonHarnstoff-Formaldehyd-Harzen(Harnstoffharz,so genannteUF-Harze), die z. B. zur Produktion vonSpanplatteneingesetzt werden.[46]Ansonsten dient Harnstoff überwiegend als Stickstoffdünger oder als Reduktionsmittel fürStickoxidebeimSNCR-Verfahren.[47]Der Bedarf an Harnstoff stieg im Laufe der Jahre ständig an, allein zwischen 1960 und 1970 verdreifachte sich der Bedarf und die Produktionskapazität.[28]Zwischen 1990 und 2010 wuchs der Bedarf stetig um etwas mehr als 3 % jährlich, wobei die installierte Kapazität den Bedarf um circa 10 bis 20 % überstieg.[29]Treiber für eine weitere Steigerung der Nachfrage könnten sowohl steigende Anforderungen an die Stickoxidreduzierung im Straßenverkehr als auch der Ausbau derBiokraftstoffkapazitätwerden.[29]

Stickstoffdünger

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Düngemittel Harnstoff – der gesamte Stickstoff liegt alsAmidstickstoffvor

Harnstoff weist mit 46,63 % den höchsten Stickstoffgehalt aller herkömmlichen Stickstoffdünger auf; das ebenfalls oft verwendeteAmmoniumnitratetwa besitzt einen Stickstoffgehalt von 35 %. Viele Bodenbakterien besitzen das EnzymUrease,das die Umsetzung von Harnstoff zu Ammoniak oderAmmoniumionenundHydrogencarbonationenkatalysiert.[48]

Um nicht als Gas in der Atmosphäre verloren zu gehen, muss Ammoniak mit Wasser oder einer Säure zum Ammoniumion fixiert werden:

Ammoniak-oxidierendeNitritbakterienwieNitrosomonasoxidieren dieses unter Energiegewinn in der so genanntenNitrifikationzuNitrit:[49]

NitritoxidiererwieNitrobacteroxidieren das entstehende Nitrit weiter zuNitrat:

Pflanzen nehmen Ammoniumionen und Nitrat leicht auf; sie bilden die überwiegenden Stickstoffquellen für das Pflanzenwachstum.[50]

Harnstoff ist der global meistverwendete Stickstoffdünger, berechnet auf Basis des Stickstoffgehalts. In verschiedenen Regionen, etwa Asien, lag der prozentuale Anteil 1997 über 50 %.[51]

Anteil verschiedener Stickstoffdünger am globalen Verbrauch
(auf Basis Stickstoff; 1997)[51]
Dünger Prozentualer Anteil
Harnstoff 44,22
Ammoniumnitrat 09,52
Ammoniak 05,67
Ammoniumnitrat-Harnstoff-Lösung 04,96
Kalkammonsalpeter 04,31
Ammoniumsulfat 03,06
Andere 28,26
Harnstoffpreis[52]

Der Verbrauch stieg besonders stark in asiatischen Ländern an. Im Jahr 2013 waren Indien, China und Pakistan die weltweit größten Konsumenten von Harnstoff.

Liste der zehn Länder mit dem größten Harnstoffkonsum[53]
Land Jahr Verbrauch in
Millionen Tonnen
Indien 2013 30,60
China 2012 28,50
Pakistan 2013 5,89
Vereinigte Staaten 2013 5,60
Indonesien 2013 4,77
Brasilien 2013 4,56
Kanada 2013 3,38
Thailand 2013 2,37
Ägypten 2013 1,93
Iran 2013 1,84

Der Harnstoffpreis bewegte sich lange um 100US-Dollar/Tonne, von 2003 bis zum Höhepunkt im August 2008 mit 770 $/t stieg er jedoch rasant an. Danach fiel er wieder und lag im Juni 2016 bei knapp 200 $/t.[52]

Medizinische Anwendungen

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In derPharmaziedient Harnstoff alsKeratolytikum(d. h. alshornlösenderWirkstoff). Diese Eigenschaft wird in verschiedenen Rezepturen genutzt. Beispielsweise wirkt er hochkonzentriert (40 %) in Pasten zusammen mit einem Antipilzmittel (Antimykotikum) gegenNagelpilz(Onychomykose), wobei der Harnstoff den Nagel so weich macht, dass sich die infizierte Nagelsubstanz Stück für Stück abtragen lässt.[54]Weiter dient er als Feuchtigkeitsspender in Salben zur Bekämpfung vonatopischen EkzemenundLichenerkrankungen.Früher wurde Harnstoff in wässriger Lösung als harntreibendes Mittel beiRippenfellentzündungundLeberzirrhoseverordnet.[55]

Harnstoff wird in derErsten Hilfeals Komponente vonKältepacksgenutzt, um Zerrungen oder Prellungen zu kühlen. Diese bestehen aus zwei abgetrennten Bereichen, von denen sich in einem Harnstoff befindet, im anderen Wasser. Wird die Trennung aufgehoben, löst sich der Harnstoff im Wasser. Da die Gitterenergie größer als die Hydrationsenergie ist, entzieht der Lösungsvorgang der Umgebung Energie und kühlt diese ab.[56]

Durch die Gabe von13C-markiertem Harnstoff und dem nachfolgenden Nachweis von13C-markiertem Kohlenstoffdioxid mittels eines13C-Harnstoff-Atemtestsgelingt der Nachweis vonHelicobacter pyloriim Magen. Das freigesetzte Kohlenstoffdioxid weist auf die Anwesenheit des Enzyms Urease hin, mit dem das Bakterium aus Harnstoff Ammoniak erzeugt und damit denpH-Wertder Magenumgebung erhöht. Das Bakterium ist einer der Verursacher vonUlcera.[57]

Syntheseweg für Herstellung von Barbitursäure und deren Derivate

Einige Derivate des Harnstoffs sind Wirkstoffe in Arzneimitteln und Pflanzenschutzmitteln.BarbitursäureundBarbituratesind Derivate des Harnstoffs, die ausMalonsäurediethylesterund deren Derivaten und Harnstoff zugänglich sind.[58]

Sulfonylharnstoffefinden Anwendung als oraleAntidiabetika,außerdem bilden sie eine wichtigeHerbizidgruppe.[59]

Die Harnstoffkonzentration im Blut oder der damit über den Faktor 0,467 verknüpfteBlut-Harnstoff-Stickstoffgehören zu denNierenretentionsparametern,die als medizinische Indikatoren in derNephrologiezur Beurteilung der Leistungsfähigkeit derNierebestimmt werden. Erhöhte Werte können auf eine eingeschränkte Nierenfunktion hinweisen, werden jedoch vielfältig beeinflusst, etwa durch die Proteinzufuhr.[60]

DasHarnstoff-Reduktionsverhältnis(Urea Reduction Ratio (URR)) ist ein Maß für die Eliminierung von gelösten Stoffen während derHämodialyse.Das Harnstoff-Reduktionsverhältnis ist der Bruchteil der Blutharnstoffkonzentration, der in Relation zur gesamten Blutharnstoffkonzentration während einer Hämodialyse-Behandlung entfernt wird.[61]

Umweltschutz

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Diesel Exhaust Fluid (DEF) in Deutschland ist der Markenname „Adblue “bekannter.

Harnstoff wird zur Reduktion vonStickoxidenim Abgas von Kraftwerken und Verbrennungsmotoren verwendet. InKraftwerkenwird – vornehmlich bei kleineren Anlagen – das SNCR-Verfahren (selektive nichtkatalytische Reduktion) angewandt.[47]Beim sogenannten SCR-Verfahren (selektive katalytische Reduktion), das in Kraftwerken und in derAbgasnachbehandlungbeiDieselmotoreneingesetzt wird, wird Harnstoff oder Ammoniak in den heißen Abgasstrom eingespritzt.[47]Der Harnstoff zersetzt sich zu Ammoniak, das in einem nachgeschaltetenKatalysatordie Stickoxide reduziert. In der Kraftfahrzeugtechnik wird eine wässrige Lösung mit 32,5 % Harnstoffanteil verwendet, die unter der BezeichnungAUS 32genormt ist. Der Verbrauch an Harnstofflösung beträgt etwa 2 bis 8 % des Treibstoffverbrauchs.[62]

Lebensmittelherstellung

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Harnstoff wird Lebensmitteln alsStabilisatorzugesetzt. In derEUist er alsLebensmittelzusatzstoffmit der BezeichnungE 927bausschließlich fürKaugummiohne Zuckerzusatz zugelassen. Er wirkt im Mund durch Abspaltung von Ammoniak als Säureregulator.[63]

In der Rinderhaltung spielt Harnstoff eine Rolle alsStickstoffquelle.Harnstoff liefert zwar den Stickstoff für die Ernährung, zusätzlich benötigt die Kuh aber Energie und Mineralstoffe im Pansen, um daraus Proteine zu erzeugen. Aus 100 Gramm Harnstoff entstehen theoretisch 2875 Gramm Rohprotein. Harnstoff darf seit 2008 nur noch zur Beifütterung eingesetzt werden, wenn der Tierhalter bestimmte Voraussetzungen gemäß derFuttermittelhygieneverordnungerfüllt.[64]

Der Zusatz von Harnstoff in höheren Konzentrationen zu wässrigen Lösungen führt zu einerDenaturierungvonProteinen,Harnstoff wirkt daher als Denaturierungsmittel beziehungsweise alschaotrope Verbindung.Niedrige Konzentrationen von Harnstoff können jedoch die gegenteilige Wirkung entfalten, etwa denhydrophoben Effektverstärken und somit die Proteinstruktur stabilisieren.[65]

Der Harnstoffgehalt von Rochen und Haien führt dazu, dass diese vor dem Verzehr zunächst mehrere Wochen fermentiert werden müssen, um den Harnstoff zu Ammoniak abzubauen und abzugasen. Fermentierter Rochen undGrönlandhaie,unter dem NamenGammelrochenundHákarlbekannt, gelten als isländische Spezialitäten.[66]

Sonstige Verwendung

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Harnstoff wird alsStreusalz-Ersatz eingesetzt, was aber wegen seines höheren Preises nur in Sonderfällen erfolgt, zum Beispiel für dieBewegungsflächenenteisungaufFlughäfen.In der Schweiz ist der Einsatz nur auf Flughäfen erlaubt.[67]

Clathrat: Struktur einer Einschlussverbindung von Harnstoff und 1,6-Dichlorhexan. Farbschema: Sauerstoff: rot, Stickstoff: blau, Chlor: grün, Kohlenstoff: schwarz, Wasserstoff: weiß.

Harnstoff wird in derHarnstoff-Extraktiv-Kristallisation,einem Verfahren zur Abtrennung linearer Paraffine aus Kohlenwasserstoffgemischen durch Bildung von Harnstoff-n-Paraffin-Clathraten,verwendet. Die Trennung dient der Erniedrigung desStockpunktsvon Mineralölprodukten, als Nebenprodukte fallenn-Paraffine in hoher Reinheit an.[68][69]Das Verfahren kann zur Trennung vonFettsäurenundFettalkoholenangewendet werden.[70]

Die denaturierende Wirkung von Harnstoff auf Proteine wird bei derUrea-PAGE,der Harnstoff-Polyacrylamid-Gelelektrophoresegenutzt.[71]Die dabei verwendeten Harnstoffkonzentrationen liegen in der Größenordnung von 4 bis 8-molar.Im Gegensatz zurSDS-PAGEändert sich bei der Urea-PAGE die Ladung der Proteine praktisch nicht, was eine Trennung von Proteinen mit gleichenMolekülmassen,aber unterschiedlichen Ladungen ermöglicht. Das effektive Volumen der einzelnen Proteinmoleküle ist bei der Urea-PAGE größer als bei derNativ-PAGE,und die Aggregate der Proteinmoleküle zerfallen in ihre Untereinheiten. Falls die Proteinmoleküle oder ihre Aggregate durchDisulfidbrückenstabilisiert werden, werden bei der Urea-PAGE reduzierendeThiolezugesetzt, ähnlich wie bei der SDS-PAGE.

Harnstoff wird wegen seiner hohen Wasserbindungsfähigkeit häufig alsFeuchtigkeitsfaktorinKosmetikaeingesetzt, meist alsUreadeklariert.[72]

Ein Feuerlöschpulver auf Basis vonKaliumhydrogencarbonatverwendet Harnstoff als Komponente. Das Pulver wird zur Bekämpfung von Feuern derBrandklassen BCverwendet. In Deutschland ist der Einsatz nicht zugelassen.[73]

BenzoylharnstoffesindInsektizide,die alsChitininhibitorwirken.[74]

Ebenso hilft Urea inForstbeständenbei der Vorbeugung von Pilzinfektionen.[75]Auf Baumstümpfe aufgetragen hält es beispielsweiseHeterobasidiondavon ab, in die toten Wurzeln des Baumstumpfes einzudringen und so die Wurzeln der noch stehenden Bäume zu erreichen.

In der direkten Harnstoff-Brennstoffzelle(Direct Urea Fuel Cell (DUFC)) dient Harnstoff als Wasserstofflieferant. Neben der Energieerzeugung eignet sich das Verfahren zur Entfernung von Harnstoff aus Abwässern.[76]

Biologische Bedeutung

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Schema des Harnstoffzyklus

VieleWirbeltiere,etwaPlattenkiemerwieHaieundRochen,AmphibienundSäugetiereproduzieren Harnstoff als ein Endprodukt desStoffwechselsvonStickstoffverbindungenwieAminosäuren.Er gehört zu denharnpflichtigen Substanzen.Beim Aminosäureabbau entsteht zunächst Ammoniak, das in entsprechend hohen Konzentrationen giftig aufZellenwirkt.

Die Bildung von Harnstoff findet in derLeberdurch die Reaktion vonäquimolarenMengenAmmonium(NH4+) undHydrogencarbonat(HCO3-) imHarnstoffzyklusstatt. Von der Leber wird er zurNieretransportiert und mit dem Harn ausgeschieden. Der Feststoffgehalt im Harn besteht etwa zur Hälfte aus Harnstoff.Harnstoffzyklusdefektesind erblich bedingte Stoffwechselerkrankungen, die mit einer Störung der Ammoniakumwandlung einhergehen. Sie führen zu einem erhöhten Ammoniakgehalt im Blut, der Nervenzellen schädigt. Geringe Mengen Harnstoff werden beim Menschen über Schweiß- und Darmsekretion ausgeschieden. Der menschliche Körper produziert pro Tag etwa 20 bis 30 Gramm Harnstoff.[29]Verschiedene Lebewesen verwenden Harnstoff alsbiogenes Gefrierschutzmittel.Haie und Rochen scheiden nicht allen Harnstoff aus, sondern nutzen ihn zurOsmoseregulation.[77]

Erkrankungen wie das akute oder chronischeNierenversagen,sowie eine diabetisch eingeschränkte Nierenfunktion, können zu erhöhten Harnstoffwerten imSerum/Plasmaführen (Normalwert: 10–50 mg/dl). Bei (prä-)terminalerNiereninsuffizienzist die Harnstoffkonzentration im Serum besser geeignet, den Schweregrad derUrämieabzuschätzen, als die Serumkreatinin­konzentration.[78]Eine hohe Proteinzufuhr führt schon bei normaler Nierenfunktion zu erhöhten Harnstoffwerten im Blut, was ihn zu einem schlechten Nierenparameter macht.

DerMilchharnstoffgehaltist der Gehalt von Harnstoff in Milligramm pro Liter Milch und ist ein wichtiger Maßstab für die optimale Eiweiß- und Energieversorgung der Kuh. Der Harnstoffgehalt der Milch wird durch die Fütterung mitRohproteinje Tier und Tag, den Gehalt an Durchflussprotein und die im Pansen fermentierbarenKohlenhydratebestimmt und dient als Maß für die Verwertung des Futterrohproteins.[79]Eine relative Über- oder Unterversorgung mit Rohprotein deutet auf Managementfehler mit Gefahren für die Tiergesundheit hin.

Toxikologie

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Harnstoff ist als praktisch nicht-toxisch anzusehen. In Fütterungsversuchen mitRattenwurde bei einer Dosierung von 20 Gramm pro Kilogramm Körpergewicht sowie bei der Fütterung vonFerkelnmit bis zu 4 Gramm pro Kilogramm Körpergewicht über mehrere Tage keine Toxizität festgestellt. Es konnte kein Einfluss einer Harnstoffgabe auf die Entwicklung vonFötenbei Ratten und Mäusen festgestellt werden.[80]

Die orale Gabe von hochdosierten Harnstofflösungen beiHundenüber mehrere Tage löste Schwäche, Appetitlosigkeit, Erbrechen und Würgen, Durchfall und eine verringerte Körpertemperatur aus, die zu einem Koma führten. Bei Versuchen mitNacktmäusen,denen reiner Harnstoff auf die Haut aufgetragen wurde, konnten keine Veränderungen der Haut festgestellt werden. Harnstoff erhöht jedoch dieHautpenetrationvon anderen Stoffen.[80]

Nachweisverfahren

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Zum qualitativen Nachweis eignet sich die Fällung alsHarnstoffnitrat.In essigsaurer Lösung lässt sich Harnstoff mitXanthydrolinDixanthylharnstoffüberführen und ausfällen. Harnstoff kann mittelsUreaseenzymatisch in Kohlenstoffdioxid und Ammoniak gespalten werden. Diese Spaltung nutzt die Lebensmittelanalytik und Wasseranalytik durch den anschließenden quantitativen Nachweis von Ammoniak mittels des blaugefärbtenIndophenol-Ions in derBerthelot-Reaktion.[81]

Literatur

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Commons:Harnstoff– Sammlung von Bildern
Wiktionary: Harnstoff– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Anmerkungen

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