Harnstoff

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Strukturformel
Strukturformel von Harnstoff
Allgemeines
Name Harnstoff
Andere Namen
  • Kohlensäurediamid
  • Carbamid
  • Karbamid
  • UREA (INCI)
  • Carbonyldiamid
  • Diaminomethanal
  • Piagran (Markenname)
  • E927b
Summenformel CH4N2O
CAS-Nummer 57-13-6
PubChem 1176
ATC-Code
Kurzbeschreibung

farb- und geruchloser, kristalliner Feststoff[1]

Eigenschaften
Molare Masse 60,06 gmol−1
Aggregatzustand

fest

Dichte

1,32 gcm−3[2]

Schmelzpunkt

132,5–134,5 °C (Zersetzung)[2]

Dampfdruck

0,2 Pa (75 °C)[2]

pKs-Wert
  • 26,9 (in DMSO)[3]
  • 0,18 (konj. Säure in Wasser)[4]
Löslichkeit

sehr gut in Wasser:

  • 790 gl−1 (bei 5 °C)[5]
  • 1000 gl−1 (bei 20 °C)[2]
  • 1200 gl−1 (bei 25 °C)[5]
Sicherheitshinweise
Bitte die eingeschränkte Gültigkeit der Gefahrstoffkennzeichnung bei Arzneimitteln beachten
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [2]
keine GHS-Piktogramme
H- und P-Sätze H: keine H-Sätze
P: keine P-Sätze
Toxikologische Daten

8471 mg kg−1 (LD50Mausoral)[6]

Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0

−333,1 kJmol−1[7]

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.
Vorlage:Infobox Chemikalie/Summenformelsuche vorhanden

Harnstoff (lateinisch und englisch urea), chemisch das Diamid der Kohlensäure, ist eine organische Verbindung mit der Summenformel CH4N2O. Reiner Harnstoff ist ein weißer, kristalliner, geruchloser, ungiftiger und hygienisch unbedenklicher Feststoff, der sich gut in Wasser löst. Mit einem Produktionsvolumen von über 150 Millionen Tonnen pro Jahr ist er einer der meist hergestellten Chemikalien überhaupt.

Harnstoff und seine Derivate sind viel genutzte Stickstoffdünger und Rohstoffe für die chemische Industrie, etwa für die Herstellung von Harnstoffharzen, die als Klebstoff, zur Imprägnierung oder Isolierung eingesetzt werden. Harnstoff dient als Grundlage für die Synthese von Barbitursäure, Koffein, Hydrazin und weiteren Chemikalien.

In der Ernährung von Wiederkäuern lässt sich Harnstoff als Stickstoffquelle für die Bildung von Proteinen nutzen. Die Liste der unentbehrlichen Arzneimittel der Weltgesundheitsorganisation führt Harnstoff als in Salben und Cremes angewandtes, keratolytisches und 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 der Biochemie. Diese Synthese zeigte, dass ein Stoffwechselprodukt im Labor ohne biologische Ausgangsmaterialien hergestellt werden kann und führte letztendlich zum Fall der Lehre vom Vitalismus.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Friedrich Wöhler, etwa 1856.

Der holländische Chemiker Herman Boerhaave entdeckte 1727 bei der Untersuchung des Urins den Harnstoff, den er sal nativus urinæ nannte, das natürliche Salz des Urins.[8] Hilaire-Marin Rouelle gelang 1773 ebenfalls die Darstellung von Harnstoff mit einem alkoholischen Extrakt aus Urinrückständen.[9] Louis-Nicolas Vauquelin wies Harnstoff 1800 im Tierharn nach. Er wies außerdem nach, dass die von Rouelle gefundene Substanz identisch war mit einer Substanz, die Carl Wilhelm Scheele durch die Behandlung von Urin mit konzentrierter Salpetersäure erhalten hatte und nannte die Substanz Harnstoff. William Prout bestimmte 1817 die chemische Zusammensetzung von Harnstoff.[10]

Friedrich Wöhler stellte Harnstoff erstmals 1828 durch die Reaktionen von Silbercyanat und Ammoniumchlorid

beziehungsweise von Bleicyanat und flüssigem Ammoniak her.[11]

Die Zwischenverbindung Ammoniumcyanat 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 genannte vis vitalis (Lebenskraft) hergestellt werden könnten. Genau genommen erbrachte Wöhler bereits 1824 durch die Hydrolyse von Dicyan zu Oxalsäure den Nachweis, dass es für die Synthese organischer Moleküle nicht der „Lebenskraft“ bedarf.[12]

Im Jahr 1868 beschrieb Alexander Basaroff erstmals die kommerziell anwendbare Herstellung von Harnstoff aus Ammoniumcarbamat, welches unter Druck aus Ammoniak und Kohlenstoffdioxid zugänglich ist.[13]

Vorkommen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Viele Wirbeltiere, etwa Plattenkiemer wie Haie und Rochen, Amphibien und Säugetiere produzieren Harnstoff als ein Endprodukt des Stoffwechsels von Stickstoffverbindungen wie Aminosäuren, das im Urin ausgeschieden wird. Die Bildung von Harnstoff findet in der Leber durch die Reaktion von zwei Molekülen Ammoniak mit einem Molekül Kohlenstoffdioxid im Harnstoffzyklus statt. Von der Leber wird er zur Niere transportiert und mit dem Harn ausgeschieden. Haie scheiden nicht allen Harnstoff aus, sondern nutzen ihn zur Osmoseregulation.[14]

Harnstoff ist zusammen mit Harnsäure Bestandteil der Ausscheidungen von Vögeln und Fledermäusen und daher in Fledermausguano (Chiropterit) sowie in geringen Mengen auch in Guano enthalten.[15] Als Mineral ist Harnstoff nicht stabil und kann nur unter ariden Bedingungen gebildet werden.

Herstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Prillturm einer Harnstoffanlage, Borealis Agrolinz Melamine in Linz.

Harnstoff lässt sich im Labormaßstab durch Reaktion von Ammoniak mit Phosgen oder Kohlensäureestern herstellen oder durch Hydrolyse von Cyanamid. Industriell wird Harnstoff in großen Mengen hergestellt, im Jahr 2012 weltweit rund 184 Millionen Tonnen.[16] Dazu dienen große Anlagen, die aus Erdgas, Luft und Wasser im Haber-Bosch-Verfahren zunächst Ammoniak und schließlich Harnstoff herstellen. Das für die Ammoniakherstellung abgetrennte Kohlenstoffdioxid wird zu zwei Dritteln in Harnstoff gebunden.

Die industrielle Produktion von Harnstoff in einem Hochdruckverfahren geht auf Carl Bosch und Wilhelm Meiser zurück.[17] Die BASF nahm 1922 die erste Produktionsanlage in Betrieb, bei der sich in einem Hochdruckreaktor im ersten Schritt bei 150 bar aus Ammoniak und Kohlenstoffdioxid in einer mit −117 kJ/mol exothermen Reaktion Ammoniumcarbamat bildete:[18]

Ammoniumcarbamat reagiert in einer mit 15,5 kJ/mol endothermen Reaktion weiter zu Harnstoff und Wasser:[18]

Die Gesamtreaktion ist exotherm. Als Nebenprodukt entsteht unter anderem Isocyansäure.

Die Reaktion lässt sich durch Arbeiten in einen Ammoniaküberschuss unterdrücken.[19]

Überschüssiges Ammoniak verwendete die BASF zunächst zur Herstellung von Ammoniumsulfat und Ammoniumnitrat. Ende der 1920er Jahre wurde das Verfahren verbessert und überschüssiges Ammoniak in den Produktionsprozess zurückgeführt. Hieraus entwickelten sich verschiedene Totalkreislaufverfahren.

Die Prozesse unterscheiden sich in der Art der Zersetzung von Ammoniumcarbamat, der Abtrennung und Wiedergewinnung von Kohlenstoffdioxid und Ammoniak, sowie der Verarbeitung des Harnstoffs.[20] Die Reaktionstemperaturen liegen je nach Prozess zwischen 170 und 220 °C, der Reaktionsdruck zwischen 125 und 250 bar.[19] Allen modernen industriellen Verfahren ist gemeinsam, dass die Überschussgase wieder in den Reaktor zurückgeführt werden, wobei Strippingverfahren eingesetzt werden.

Ein wichtiger Prozessschritt ist die Abtrennung von Biuret, das als Verunreinigung in industriell hergestelltem Harnstoff vorhanden ist. Der Gehalt an Biuret im Harnstoff muss begrenzt werden, meist kleiner als 0,035 %, da sich Biuret hemmend auf das gesunde Pflanzenwachstum auswirkt.[21][20]

Der zunächst in Lösung anfallende Harnstoff wird meist durch Prillen, auch Sprühkristallisation genannt, in ein feinkörniges Schüttgut mit 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 weniger hygroskopisch und die Fließeigenschaften erhalten sich dadurch über mehrere Monate.[22] Die größten Anlagen der Welt produzieren etwa 4000 Tonnen Harnstoff am Tag.[18]

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Physikalische Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Harnstoff ist unter Normalbedingungen ein kristalliner Feststoff mit einer Dichte von 1,32 g/cm3. Er schmilzt im Bereich von 132,5 bis 134,5 °C unter Zersetzung. Der Dampfdruck bei 75 °C beträgt 0,2 Pascal.

Harnstoff wurde 1973 als natürliches Sekundärmineral bei Toppin Hill am Lake Rason (Westaustralien) gefunden, vergesellschaftet mit Ammoniumaphthitalit, Ammoniumphosphaten und Weddellit.[23] Es wurde von der International Mineralogical Association (IMA) als eigenständiges Mineral anerkannt. Diese führt es gemäß der Systematik der Minerale nach Strunz (9. Auflage) als „Diverse organische Verbindungen“ unter der System-Nr. „10.CA.35“. Die im englischsprachigen Raum ebenfalls geläufige Systematik der Minerale nach Dana führt das Mineral unter der System-Nr. „50.4.6.1“.[24] Harnstoff kristallisiert im tetragonalen Kristallsystem mit der Raumgruppe P421mVorlage:Raumgruppe/Unbekannter Anzeige-Typ.[25] Es entwickelt farblose bis blass-gelbe oder blass-braune, nadelförmige Kristalle.[26]

Chemische Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Harnstoff löst sich leicht in Wasser und Ethanol, aber nicht in Diethylether. Die wässrige Lösung reagiert neutral. Mit Säuren bildet sich die protonierte Form NH2CONH3+.[27] Die Harnstoffsalze der Salpetersäure sind Explosivstoffe. Beim Erhitzen der wässrigen Lösung mit Säuren oder Laugen zerfällt Harnstoff in Kohlenstoffdioxid und Ammoniak.

Harnstoff kondensiert beim Erhitzen über den Schmelzpunkt unter Abspaltung von Ammoniak zunächst zu Isocyansäure, die dann mit Harnstoff weiter zu Biuret reagiert:[18]

Synthese von Biuret

Bei höheren Temperaturen bilden sich weitere Kondensationsprodukte wie Triuret, Guanidin und Melamin.[18]

Diese Transamidierungen sind wichtige Reaktionen zur generellen Darstellung von Harnstoffderivaten:[28]

Mit Formaldehyd reagiert Harnstoff in einer Additionsreaktion zu Methylolharnstoffen, die Hydroxymethylgruppen aufweisen:[18]

Methylolierung von Harnstoff

Diese reagieren in einer Kondensationsreaktion unter Freisetzung von Wasser und Ausbildung von Methylengruppen zu Harnstoffharzen:

Bildung des Vorkondensats

Harnstoff bildet mit Wasserstoffperoxid ein Wasserstoffperoxid-Harnstoff-Addukt, das Carbamidperoxid. Dies ist ein wasserlösliches kristallines Addukt, das sich bei der Umkristallisation von Harnstoff mit konzentrierter Wasserstoffperoxid-Lösung bildet. Es enthält etwa 35 % Wasserstoffperoxid.

Der Wasserstoff lässt sich durch verschiedene Reaktionen teilweise oder ganz durch andere Substituenten ersetzen. Mit Benzoylchloriden etwa entstehen Imide wie Benzoylharnstoffe, durch Reaktion mit Sulfonylchlorid entstehen Sulfonylharnstoffe.

Durch Erhitzen auf etwa 200 bis 300 °C bildet sich Cyanursäure.[29]

Molekulare Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Kohlenstoff ist sp2-hybridisiert, die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen weisen einen signifikanten Doppelbindungscharakter auf. 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.[25] Die N-C-N-Atome liegen gewinkelt, planar in einer Ebene, die Geometrie der N-H-Bindung ist pyramidal. Der Winkel zwischen den N-C-O-Atomen beträgt 121 °.[25] Das Molekül weist eine C2v-Struktur auf.[27] Die Streckschwingung vN-H iegt im Infrarot bei einer Wellenzahl von 3396 cm−1 und damit höher als bei Ammoniak, das eine Wellenzahl von 3372 cm−1 aufweist.

Fester Harnstoff weist am Sauerstoff zwei N-H-O-Wasserstoffbrückenbindungen auf, die Distanz zwischen dem Sauerstoff- und den Wasserstoffatomen beträgt 299 Pikometer und 304 Pikometer.[25] Die daraus resultierende Kristallstruktur besteht aus Bändern in Helixform. Aufgrund seiner Tendenz zur Helixbildung besitzt Harnstoff die Fähigkeit, organische Verbindungen als Gastmoleküle einzulagern. In diesen Clathraten werden die organischen Gastmoleküle in den Kanälen durch interpenetrierende Helices von Wasserstoff-gebundenen Harnstoffmoleküle gebildet gehalten. Dieses Verhalten kann zur Trennung von linearen und verzweigten Kohlenwasserstoffgemischen verwendet werden, beispielsweise in der Harnstoff-Extraktiv-Kristallisation.

Verwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine industrielle Verwendungsmöglichkeit von Harnstoff ist die Herstellung von Melamin, das z. B. mit Formaldehyd zu Kunstharzen verarbeitet wird, und von Harnstoff-Formaldehyd-Harzen (Harnstoffharz, so genannte UF-Harze), die z. B. zur Produktion von Spanplatten eingesetzt werden. Ansonsten dient Harnstoff überwiegend als Stickstoffdünger oder als Reduktionsmittel für Stickoxide beim SNCR-Verfahren. Der Bedarf an Harnstoff stieg im Laufe der Jahre ständig an, allein zwischen 1960 und 1970 verdreifachte sich der Bedarf und die Produktionskapaziät.[20] 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.[18] Treiber für eine weitere Steigerung der Nachfrage könnten sowohl steigende Anforderungen an die Stickoxidreduzierung im Straßenverkehr als auch der Ausbau der Biokraftstoffkapazität werden.[18]

Stickstoffdünger[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Düngemittel Harnstoff – der gesamte Stickstoff liegt als Amidstickstoff vor
Harnstoffpreis

Harnstoff weist mit 46,63 % den höchsten Stickstoffgehalt aller herkömmlichen Stickstoffdünger auf; das ebenfalls oft verwendete Ammoniumnitrat etwa besitzt einen Stickstoffgehalt von 35 %. Viele Bodenbakterien besitzen das Enzym Urease, das die Umsetzung von Harnstoff zu Ammoniak oder Ammoniumionen und Hydrogencarbonationen katalysiert.[30]

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

Ammoniak-oxidierende Nitritbakterien wie Nitrosomonas oxidieren dieses unter Energiegewinn in der so genannten Nitrifikation zu Nitrit.[31] Nitritoxidierer wie Nitrobacter oxidieren Nitrit weiter zu Nitrat. Ammoniumionen und Nitrat werden leicht von den Pflanzen aufgenommen und sind die überwiegenden Stickstoffquellen für das Pflanzenwachstum.

Der Harnstoffpreis bewegte sich lange um 100 US-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.[32]

Verwendung in Kosmetik und Pharmazeutika[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Harnstoff wird wegen seiner hohen Wasserbindungsfähigkeit häufig als Feuchtigkeitsfaktor in Kosmetika eingesetzt, meist als Urea deklariert. In der Pharmazie dient Harnstoff als Keratolytikum. Diese Eigenschaft wird in verschiedenen Rezepturen genutzt. Beispielsweise wirkt er hoch konzentriert (40 %) in Pasten zusammen mit einem Antipilzmittel (Antimykotikum) gegen Nagelpilz (Onychomykose), wobei der Harnstoff den Nagel so weich macht, dass sich die infizierte Nagelsubstanz Stück für Stück abtragen lässt. Weiter dient er als Feuchtigkeitsspender in Salben zur Bekämpfung von atopischen Ekzemen und Lichenerkrankungen.

Früher wurde Harnstoff in wässriger Lösung als harntreibendes Mittel bei Rippenfellentzündung und Leberzirrhose verordnet.[33] Barbitursäure und Barbiturate sind Derivate des Harnstoffs, die aus Malonsäurediethylester und deren Derivaten und Harnstoff zugänglich sind.

Syntheseweg für Herstellung von Barbitursäure und deren Derivaten

Umweltschutz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Diesel Exhaust Fluid (DEF)

Harnstoff wird zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas von Kraftwerken und Verbrennungsmotoren verwendet. In Kraftwerken wird – vornehmlich bei kleineren Anlagen – das SNCR-Verfahren (selektive nichtkatalytische Reduktion) angewandt. Beim sogenannten SCR-Verfahren (Selektive katalytische Reduktion), das in Kraftwerken und in zunehmendem Maß in der Fahrzeugtechnik eingesetzt wird, wird Harnstoff oder Ammoniak in den heißen Abgasstrom eingespritzt. Der Harnstoff zersetzt sich zu Ammoniak, das in einem nachgeschalteten Katalysator die Stickoxide reduziert. In der Kraftfahrzeugtechnik wird eine wässrige Lösung mit 32,5 % Harnstoffanteil verwendet, die unter dem Handelsnamen AdBlue bekannt ist. Der Verbrauch an Harnstofflösung beträgt etwa 2 bis 8 % des Treibstoffverbrauchs.[34]

Lebensmittel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Harnstoff wird Lebensmitteln als Stabilisator zugesetzt. In der EU ist er als Lebensmittelzusatzstoff mit der Bezeichnung E 927b ausschließlich für Kaugummi ohne Zuckerzusatz zugelassen. Er wirkt im Mund durch Abspaltung von Ammoniak als Säureregulator.[35]

In der Milchviehfütterung spielt Harnstoff eine Rolle als Stickstoffquelle. Harnstoff liefert als zwar 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 der Futtermittelhygieneverordnung erfüllt.[36]

Der Zusatz von Harnstoff in höheren Konzentrationen zu wässrigen Lösungen führt zu einer Denaturierung von Proteinen, Harnstoff wirkt daher als Denaturierungsmittel beziehungsweise als chaotrope Verbindung. Niedrige Konzentrationen von Harnstoff können jedoch die gegenteilige Wirkung entfalten, etwa den hydrophoben Effekt verstärken und somit die Proteinstruktur stabilisieren.[37]

Sonstige Verwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Harnstoff wird als Streusalz-Ersatz eingesetzt, was aber wegen seines höheren Preises nur in Sonderfällen erfolgt, zum Beispiel für die Bewegungsflächenenteisung auf Flughäfen. In der Schweiz ist der Einsatz nur auf Flughäfen erlaubt.[38] Harnstoff wird als Komponente von Kältepacks genutzt. Diese bestehen aus zwei abgetrennten Bereichen, in einem befindet sich Harnstoff, im anderen Wasser. Wird die Trennung aufgehoben, löst sich der Harnstoff im Wasser. Da die Gitterenergie größer ist als die Hydrationsenergie, entzieht der Lösungsvorgang der Umgebung Energie und kühlt diese ab.[39]

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

Harnstoff wird in der Harnstoff-Extraktiv-Kristallisation, einem Verfahren zur Abtrennung linearer Paraffine aus Kohlenwasserstoffgemischen durch Bildung von Harnstoff-n-Paraffin-Clathraten, verwendet. Die Trennung dient der Erniedrigung des Stockpunkts von Mineralölprodukten, als Nebenprodukte fallen n-Paraffine in hoher Reinheit an.[40][41] Das Verfahren kann zur Trennung von Fettsäuren und Fettalkoholen angewendet werden.[42]

Die denaturierende Wirkung von Harnstoff auf Proteine wird bei der Urea-PAGE, der Harnstoff-Polyacrylamid-Gelelektrophorese genutzt. Die dabei verwendeten Harnstoffkonzentrationen liegen in der Größenordnung von 4 bis 8-molar. Im Gegensatz zur SDS-PAGE ändert sich bei der Urea-PAGE die Ladung der Proteine praktisch nicht, was eine Trennung von Proteinen mit gleichen Molekülmassen, aber mit unterschiedlichen Ladungen ermöglicht. Das effektive Volumen der einzelnen Proteinmoleküle ist bei der Urea-PAGE größer als bei der Nativ-PAGE, und die Aggregate der Proteinmoleküle zerfallen in ihre Untereinheiten. Falls die Proteinmoleküle oder ihre Aggregate durch Disulfidbrücken stabilisiert werden, werden bei der Urea-PAGE reduzierende Thiole zugesetzt, ähnlich wie bei der SDS-PAGE.

Biologische Bedeutung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schema des Harnstoffzyklus.

Harnstoff wird im Protein- und Aminosäure-Stoffwechsel gebildet und gehört zu den harnpflichtigen Substanzen. Bei Säugetieren, Schildkröten, einigen Fischen und bei adulten Amphibien stellt er die Hauptausscheidungsform des insbesondere in Proteinen enthaltenen Stickstoffs dar. Der menschliche Körper produziert pro Tag etwa 20 bis 30 Gramm Harnstoff.[18] Vögel und die meisten Reptilien bilden stattdessen Harnsäure; Kaulquappen, die meisten Fischarten und die anderen Wassertiere scheiden den Stickstoff als Ammoniak aus. In manchen Lebewesen wird Harnstoff als biogenes Gefrierschutzmittel verwendet.

Ammoniak entsteht beim Aminosäureabbau und wirkt in entsprechend hohen Konzentrationen giftig auf Zellen. Um einem Anwachsen der Ammoniakkonzentration entgegenzuwirken, wird dieses über den Harnstoffzyklus in den ungiftigen Harnstoff umgewandelt und überwiegend über die Nieren ausgeschieden (geringe Mengen Harnstoff werden beim Menschen auch über Schweiß- und Darmsekretion ausgeschieden).

Erkrankungen wie das akute oder chronische Nierenversagen, sowie eine diabetisch eingeschränkte Nierenfunktion, können zu erhöhten Harnstoffwerten im Serum/Plasma führen (Normalwert: 10–50 mg/dl).

Harnstoff reagiert mit dem Enzym Urease zu Kohlenstoffdioxid und Ammoniak.

Eine hohe Proteinzufuhr führt auch schon bei normaler Nierenfunktion zu erhöhten Harnstoffwerten, was ihn zu einem schlechten Nierenparameter macht. Bei (prä-)terminaler Niereninsuffizienz ist die Harnstoffkonzentration im Serum aber besser geeignet, den Schweregrad der Urämie abzuschätzen, als die Serumkreatininkonzentration.

Toxikologie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Harnstoff ist als praktisch nicht-toxisch anzusehen. In Fütterungsversuchen mit Ratten wurde bei einer Dosierung von 20 Gramm pro Kilogramm Körpergewicht sowie bei der Fütterung von Ferkeln mit bis zu 4 Gramm pro Kilogramm Körpergewicht über mehrere Tage keine Toxizität festgestellt. Es konnte auch kein Einfluss einer Harnstoffgabe auf die Entwicklung von Föten bei Ratten und Mäusen festgestellt werden.[43]

Die orale Gabe von hochdosierten Harnstofflösungen bei Hunden über mehrere Tage löste Schwäche, Appetitlosigkeit, Erbrechen und Würgen, Durchfall und eine verringerte Körpertemperatur aus, die zu einem Koma führten. Bei Versuchen mit Nacktmäusen, denen reiner Harnstoff auf die Haut aufgetragen wurde, konnten keine Veränderungen der Haut festgestellt werden. Harnstoff erhöht jedoch die Hautpenetration von anderen Stoffen.[43]

Nachweisverfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zum qualitativen Nachweis eignet sich die Fällung als Harnstoffnitrat. In essigsaurer Lösung lässt sich Harnstoff mit Xanthydrol in Dixanthylharnstoff überführen und ausfällen. Harnstoff kann mittels Urease enzymatisch in Kohlenstoffdioxid und Ammoniak gespalten werden. Diese Spaltung nutzt die Lebensmittelanalytik zum quantitativen Nachweis von Ammoniak mittels des blaugefärbten Indophenol-Ions in der Berthelot-Reaktion.[44]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Eintrag zu Harnstoff. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 26. Mai 2014.
  2. a b c d e f Eintrag zu Harnstoff in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 23. Juli 2007 (JavaScript erforderlich).
  3. chem.wisc.edu: Bordwell pKa-Table.
  4. chem.wisc.edu: pKa Data, Compiled by R. Williams (PDF, 78 kB).
  5. a b David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Analytical Chemistry, S. 8-120.
  6. Eintrag zu Harnstoff in der ChemIDplus-Datenbank der United States National Library of Medicine (NLM).
  7. David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Standard Thermodynamic Properties of Chemical Substances, S. 5-20.
  8. Peter Shaw, Ephraim Chambers: A New Method of Chemistry … , Band 2, J. Osborn and T. Longman,London, England 1727, (S. 193: Process LXXXVII. online).
  9. Louis Rosenfeld: William Prout: Early 19th Century Physician-Chemist. In: Clinical Chemistry. 49, 2003, S. 699–705. doi:10.1373/49.4.699
  10. William Prout: Observations on the Nature of some of the proximate Principles of the Urine; with a few remarks upon the means of preventing those diseases, connected with a morbid state of that fluid. In: Medico-chirurgical transactions. Band 8, 1817, S. 521–596.9. PMID 20895332, PMC 2128986 (freier Volltext).
  11. Friedrich Wöhler: Ueber künstliche Bildung des Harnstoffs. In: Annalen der Physik und Chemie. 88, 1828, S. 253–256. doi:10.1002/andp.18280880206
  12. Burckhard Frank: 250 Jahre Chemie in Göttingen. In: Hans-Heinrich Voigt (Hrsg.): Naturwissenschaften in Göttingen. Eine Vortragsreihe. (Göttinger Universitätsschriften. Band 13). Vandenhoeck + Ruprecht, Göttingen 1988, ISBN 3-525-35843-1, S. 72. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche)
  13. H. Kolbe, Dr. Wilm, Dr. Wischin, Mr. Irelan, Alexander Basaroff, Dr. Theilkuhl: XXV.—Chemical contributions. In: J. Chem. Soc. 21, 1868, S. 192. doi:10.1039/JS8682100192
  14. Neil Hazon, Alan Wells u. a.: Urea based osmoregulation and endocrine control in elasmobranch fish with special reference to euryhalinity. In: Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology. 136, 2003, S. 685–700. doi:10.1016/S1096-4959(03)00280-X
  15. Eintrag zu Guano. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 22. Mai 2012.
  16. Ceresana: Marktstudie Harnstoff, abgerufen am 17. Mai 2013.
  17. Patent US1429483: Process of manufacturing urea. Veröffentlicht am 19. September 1922, Erfinder: Carl Bosch, Wilhelm Meiser.
  18. a b c d e f g h i Jozef Meessen: Urea. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Vol. 37, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2012, S. 657–695. doi:10.1002/14356007.a27_333.pub2
  19. a b Jozef Meessen: Urea synthesis. In: Chemie Ingenieur Technik. 86, 2014, S. 2180–2189. doi:10.1002/cite.201400064
  20. a b c James A. Kent (Hrsg.): Riegel's Handbook of Industrial Chemistry. Van Nostrand Reinhold, 1974, ISBN 0-442-24347-2, S. 104–111.
  21. A. R. C. Haas, J. N. Brusca: Biuret, Toxic Form of Nitrogen. In: California Agriculture. 1954 8, S. 11.
  22. Rudolf Gaedeke, Friedrich Wolf, Rita Otto: Zur Beeinflussung des Gefüges von Harnstoffprills durch Abkühlung von Schmelztropfen unter definierten Ausströmbedingungen Teil 1. In: Hercynia-Ökologie und Umwelt in Mitteleuropa. 20, 2014, S. 403–410.
  23. Michael Fleischer: New Mineral Names. In: American Mineralogist. 59, 1974, S. 874–875.
  24. P. J. Bridge: Urea, a new mineral, and neotype phosphammite from Western Australia. In: Mineral. Mag. 39, 1973, S. 346–348.
  25. a b c d P. Vaughan, J. Donohue: The structure of urea. Interatomic distances and resonance in urea and related compounds. In: Acta Crystallographica. 5, S. 530–535, doi:10.1107/S0365110X52001477.
  26. mindat: Urea: Urea mineral information and data. abgerufen am 13. Mai 2013.
  27. a b Mansel Davies, Leslie Hopkins: The bonding in urea and in the urea ion. In: Transactions of the Faraday Society. 53, 1957, S. 1563–1569. doi:10.1039/TF9575301563
  28. Christian Nitschke, Günter Scherr: Urea Derivatives. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Vol. 38, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2010, S. 1–12, doi:10.1002/14356007.o27_o04.
  29. Klaus Huthmacher, Dieter Most: Cyanuric Acid and Cyanuric Chloride. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2005. doi:10.1002/14356007.a08_191
  30. Samuel L. Tisdale, Werner L. Nelson, James D. Beaton: Soil fertility and fertilizers. Macmillian, 1985, ISBN 0-02-420830-2, S. 161–168.
  31. K. L. Marsh, G. K. Sims, R. L. Mulvaney: Availability of urea to autotrophic ammonia-oxidizing bacteria as related to the fate of 14C- and 15N-labeled urea added to soil. In: Biology and Fertility of Soils. 42, 2005, S. 137. doi:10.1007/s00374-005-0004-2
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