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 genutzterStickstoffdünger undAusgangsstoff für diechemische Industrie, etwa für die Herstellung vonHarnstoffharzen, die alsKlebstoff, zurImprägnierung oderIsolierung eingesetzt werden. Harnstoff dient darüber hinaus als Grundlage für die Synthese vonMelamin,Barbitursäure,Coffein,Hydrazin und weiteren Chemikalien.
Die Herstellung von Harnstoff aus anorganischen Ausgangsmaterialien war ein wichtiger konzeptioneller Meilenstein der Chemie und gilt als die Geburtsstunde derBiochemie. Diese Synthese zeigte, dass einStoffwechselprodukt im Labor ohne biologische Ausgangsmaterialien hergestellt werden kann, und führte letztendlich zum Fall der Lehre vomVitalismus.
Der Niederländische ChemikerHerman Boerhaave entdeckte 1727 bei der Untersuchung von Urin den Harnstoff, den ersal nativus urinae nannte, „natürliches Salz des Harns“.[13]Hilaire-Marin Rouelle gelang 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 Vauquelin wies (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 Scheele durch die Behandlung von Urin mit konzentrierterSalpetersäure erhalten hatte, und nannte die Substanz Harnstoff. 1812 stellte der ZoologeJohn Davy, ohne zu wissen, worum es sich bei dem Reaktionsprodukt handelte, ausPhosgen undAmmoniak künstlichen Harnstoff her.[17]William Prout bestimmte 1817 die chemische Zusammensetzung von Harnstoff.[18]
beziehungsweise vonBleicyanat (Pb(OCN)2) und flüssigem Ammoniak her:[19]
Die ZwischenverbindungAmmoniumcyanat (NH4OCN) erkannte er dabei als die eigentliche Harnstoffquelle.
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 vonDicyan zuOxalsäure den Nachweis, dass es für die Synthese organischer Moleküle nicht der „Lebenskraft“ bedarf.[20]
Ammoniakproduktion 1946–2007
Im Jahr 1868 beschriebAlexander Basaroff erstmals die kommerziell anwendbare Herstellung von Harnstoff ausAmmoniumcarbamat, welches unter Druck aus Ammoniak und Kohlenstoffdioxid zugänglich ist:[21]
Die großtechnische Realisierung dieses Verfahrens gelangCarl Bosch im Jahr 1922, nachdem Ammoniak in großen Mengen durch dasHaber-Bosch-Verfahren sowie die erforderliche Hochdrucktechnik zur Verfügung stand.[22] Mit dem weltweiten Bau von Haber-Bosch-Anlagen nach demZweiten Weltkrieg stieg die Produktion von Harnstoff parallel zur Produktion von Ammoniak rasch an.
Harnstoff synthetischer oder biologischer Natur, der in die Umwelt gelangt, wird meist schnell von Bakterien inAmmonium-,Nitrit- undNitrationen umgesetzt und wird somit Teil desStickstoffkreislaufs. Zusammen mitHarnsäure ist Harnstoff Bestandteil der Ausscheidungen von Vögeln und Fledermäusen und kommt inFledermausguano(Chiropterit) sowie in geringen Mengen inGuano vor.[23]
Harnstoff lässt sich im Labormaßstab durch Reaktion vonAmmoniak mitPhosgen oderKohlensäureestern herstellen oder durchHydrolyse vonCyanamid. 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 derSchiefergasförderung zurückzuführen.[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 derWasserstoffherstellung abgetrennteKohlenstoffdioxid wird zu zwei Dritteln bei der Produktion von Harnstoff gebunden.[28]
Die industrielle Produktion von Harnstoff in einem Hochdruckverfahren geht aufCarl Bosch und Wilhelm Meiser zurück.[22] DieBASF 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−1exothermen Reaktion Ammoniumcarbamat (NH4CO2NH2) bildete:[29]
Ammoniumcarbamat reagiert in einer mit +15,5 kJ·mol−1endothermen Reaktion weiter 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. AlsNebenprodukt entsteht unter anderemIsocyansäure.
Die Reaktion lässt sich durch Arbeiten in einem Ammoniaküberschuss unterdrücken.[30] Überschüssiges Ammoniak verwendete die BASF zunächst zur Herstellung vonAmmoniumsulfat undAmmoniumnitrat. Ende der 1920er Jahre wurde das Verfahren verbessert und überschüssiges Ammoniak in den Produktionsprozess zurückgeführt. Hieraus entwickelten sich verschiedene Totalkreislaufverfahren, etwa vonDuPont,Pechiney oderStamicarbon.[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, wobeiStrippingverfahren eingesetzt 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, auchSprühkristallisation genannt, in ein feinkörnigesSchüttgut 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 wenigerhygroskopisch und 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 derMutterlauge gewinnen. Das Biuret verbleibt in der wässrigen Phase und kann so abgetrennt werden. Die Weiterverarbeitung kann ebenfalls mittels Prillieren erfolgen.[33]
Kristallstruktur von Harnstoff _ Sauerstoff,_ Stickstoff, _ Kohlenstoff,_ Wasserstoff
Harnstoff ist unterStandardbedingungen ein 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 0,2 Pascal.[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 Kristallsystem mit derRaumgruppeP421m (Raumgruppen-Nr. 113)Vorlage:Raumgruppe/113 mit 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-Wasserstoffbrückenbindungen auf, 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 Phase mit derRaumgruppeP212121 (Raumgruppen-Nr. 19)Vorlage:Raumgruppe/19.[37]
Die Kristallstruktur besteht aus Bändern in Helixform, die organische Verbindungen als Gastmoleküle einlagern können. In diesenClathraten werden 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 verzweigtenKohlenwasserstoffgemischen verwendet werden, beispielsweise in derHarnstoff-Extraktiv-Kristallisation.[38]
Harnstoff löst sich leicht in Wasser undEthanol, aber nicht inDiethylether oderBenzol. Die wässrige Lösung reagiert neutral. Mit Säuren bildet sich die protonierte Form [NH2C(OH)NH2]+.[39] Die Harnstoffsalze derSalpetersäure sindExplosivstoffe. Beim Erhitzen der wässrigen Lösung mit Säuren zerfällt Harnstoff in Kohlenstoffdioxid undAmmoniumsalze, beim Erhitzen mit Laugen inCarbonate und Ammoniak.
Harnstoff kondensiert beim Erhitzen über den Schmelzpunkt unter Abspaltung von Ammoniak zunächst zuIsocyansäure, die mit Harnstoff weiter zuBiuret reagiert:[29]
Harnstoff bildet mitWasserstoffperoxid ein Wasserstoffperoxid-Harnstoff-Addukt, dasCarbamidperoxid. Dies ist ein wasserlösliches kristallinesAddukt, das sich bei derUmkristallisation von Harnstoff mit konzentrierter Wasserstoffperoxid-Lösung bildet. Es enthält etwa 35 % Wasserstoffperoxid.[41]
Harnstoff zerfällt bei sehr hohen Temperaturen zu Ammoniak und Kohlendioxid
Das dabei entstehende Ammoniak wird imSNR-Verfahren genutzt, um die in Abgasen von Kraftwerken und Verbrennungsmotoren enthaltenenStickoxide zum elementarenStickstoff zu reduzieren
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 10 Pikometer kürzer. 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-Symmetrie auf.[44]
Die Streckschwingung νN–H liegt iminfraroten Bereich des Spektrums bei einerWellenzahl von 3396 cm−1 und damit höher als bei Ammoniak, das eine Wellenzahl von 3372 cm−1 aufweist. Die νC=O-Streckschwingung liegt bei 1687 cm−1 und weist auf eine Resonanz zwischen einer Carbonyl- und Alkoholatstruktur hin. Die νC-N-Streckschwingung liegt bei 1465 cm−1.[45]
Eineindustrielle Verwendungsmöglichkeit von Harnstoff ist die Herstellung vonMelamin, das z. B. mit Formaldehyd zu Kunstharzen verarbeitet wird, und vonHarnstoff-Formaldehyd-Harzen, die z. B. zur Produktion vonSpanplatten eingesetzt werden.[46] Ansonsten dient Harnstoff überwiegend als Stickstoffdünger oder als Reduktionsmittel fürStickoxide beimSNCR-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 derBiokraftstoffkapazität werden.[29]
Harnstoff weist mit 46,63 % den höchsten Stickstoffgehalt aller herkömmlichen Stickstoffdünger auf; das ebenfalls oft verwendeteAmmoniumnitrat etwa besitzt einen Stickstoffgehalt von 35 %. Viele Bodenbakterien besitzen das EnzymUrease, das die Umsetzung von Harnstoff zu Ammoniak oderAmmoniumionen undHydrogencarbonationen katalysiert.[48]
Um nicht als Gas in der Atmosphäre verloren zu gehen, muss Ammoniak mit Wasser oder einer Säure zum Ammoniumion fixiert werden:
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]
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]
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]
In derPharmazie dient Harnstoff alsKeratolytikum (d. h. alshornlösender Wirkstoff). 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 Ekzemen undLichenerkrankungen. Früher wurde Harnstoff in wässriger Lösung als harntreibendes Mittel beiRippenfellentzündung undLeberzirrhose verordnet.[55]
Harnstoff wird in derErsten Hilfe als Komponente vonKältepacks genutzt, 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-Atemtests gelingt der Nachweis vonHelicobacter pylori im Magen. Das freigesetzte Kohlenstoffdioxid weist auf die Anwesenheit des Enzyms Urease hin, mit dem das Bakterium aus Harnstoff Ammoniak erzeugt und damit denpH-Wert der 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.Barbitursäure undBarbiturate sind Derivate des Harnstoffs, die ausMalonsäurediethylester und deren Derivaten und Harnstoff zugänglich sind.[58]
Die Harnstoffkonzentration im Blut oder der damit über den Faktor 0,467 verknüpfteBlut-Harnstoff-Stickstoff gehören zu denNierenretentionsparametern, die als medizinische Indikatoren in derNephrologie zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit derNiere bestimmt 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]
Diesel Exhaust Fluid (DEF); in Deutschland ist der Markenname „Adblue“ bekannter.
Harnstoff wird zur Reduktion vonStickoxiden im Abgas von Kraftwerken und Verbrennungsmotoren verwendet. InKraftwerken wird – vornehmlich bei kleineren Anlagen – das SNCR-Verfahren (selektive nichtkatalytische Reduktion) angewandt.[47] Beim sogenannten SCR-Verfahren (selektive katalytische Reduktion), das in Kraftwerken und in derAbgasnachbehandlung beiDieselmotoren eingesetzt wird, wird Harnstoff oder Ammoniak in den heißen Abgasstrom eingespritzt.[47] Der Harnstoff zersetzt sich zu Ammoniak, das in einem nachgeschaltetenKatalysator die Stickoxide reduziert. In der Kraftfahrzeugtechnik wird eine wässrige Lösung mit 32,5 % Harnstoffanteil verwendet, die unter der BezeichnungAUS 32 genormt ist. Der Verbrauch an Harnstofflösung beträgt etwa 2 bis 8 % des Treibstoffverbrauchs.[62]
Harnstoff wird Lebensmitteln alsStabilisator zugesetzt. In derEU ist er alsLebensmittelzusatzstoff mit der BezeichnungE 927b ausschließlich fürKaugummi ohne 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 derFuttermittelhygieneverordnung erfüllt.[64]
Der Zusatz von Harnstoff in höheren Konzentrationen zu wässrigen Lösungen führt zu einerDenaturierung vonProteinen, Harnstoff wirkt daher als Denaturierungsmittel beziehungsweise alschaotrope Verbindung. Niedrige Konzentrationen von Harnstoff können jedoch die gegenteilige Wirkung entfalten, etwa denhydrophoben Effekt verstärken 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 NamenGammelrochen undHákarl bekannt, gelten als isländische Spezialitäten.[66]
Harnstoff wird alsStreusalz-Ersatz eingesetzt, was aber wegen seines höheren Preises nur in Sonderfällen erfolgt, zum Beispiel für dieBewegungsflächenenteisung aufFlughäfen. 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 desStockpunkts von Mineralölprodukten, als Nebenprodukte fallenn-Paraffine in hoher Reinheit an.[68][69] Das Verfahren kann zur Trennung vonFettsäuren undFettalkoholen angewendet werden.[70]
Die denaturierende Wirkung von Harnstoff auf Proteine wird bei derUrea-PAGE, der Harnstoff-Polyacrylamid-Gelelektrophorese genutzt.[71] Die dabei verwendeten Harnstoffkonzentrationen liegen in der Größenordnung von 4 bis 8-molar. Im Gegensatz zurSDS-PAGE ändert 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 durchDisulfidbrücken stabilisiert werden, werden bei der Urea-PAGE reduzierendeThiole zugesetzt, ähnlich wie bei der SDS-PAGE.
Harnstoff wird wegen seiner hohen Wasserbindungsfähigkeit häufig alsFeuchtigkeitsfaktor inKosmetika eingesetzt, meist alsUrea deklariert.[72]
Ein Feuerlöschpulver auf Basis vonKaliumhydrogencarbonat verwendet Harnstoff als Komponente. Das Pulver wird zur Bekämpfung von Feuern derBrandklassen BC verwendet. In Deutschland ist der Einsatz nicht zugelassen.[73]
Ebenso hilft Urea inForstbeständen bei der Vorbeugung von Pilzinfektionen.[75] Auf Baumstümpfe aufgetragen hält es beispielsweiseHeterobasidion davon 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]
Die Bildung von Harnstoff findet in derLeber durch die Reaktion vonäquimolaren MengenAmmonium (NH4+) undHydrogencarbonat (HCO3−) imHarnstoffzyklus statt. Von der Leber wird er zurNiere transportiert und mit dem Harn ausgeschieden. Der Feststoffgehalt im Harn besteht etwa zur Hälfte aus Harnstoff.Harnstoffzyklusdefekte sind 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/Plasma führen (Normalwert: 10–50 mg/dl). Bei (prä)terminalerNiereninsuffizienz ist die Harnstoffkonzentration im Serum besser geeignet, den Schweregrad derUrämie abzuschätzen, als die Serumkreatininkonzentration.[78] Eine hohe Proteinzufuhr führt schon bei normaler Nierenfunktion zu erhöhten Harnstoffwerten im Blut, was ihn zu einem schlechten Nierenparameter macht.
DerMilchharnstoffgehalt ist der Gehalt von Harnstoff in Milligramm pro Liter Milch und ist ein wichtiger Maßstab für die optimale Protein- und Energieversorgung der Kuh. Der Harnstoffgehalt der Milch wird durch die Fütterung mitRohprotein je Tier und Tag, den Gehalt an Durchflussprotein und die im Pansen fermentierbarenKohlenhydrate bestimmt 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.
Harnstoff ist als praktisch nicht-toxisch anzusehen. In Fütterungsversuchen mitRatten wurde bei einer Dosierung von 20 Gramm pro Kilogramm Körpergewicht sowie bei der Fütterung vonFerkeln mit bis zu 4 Gramm pro Kilogramm Körpergewicht über mehrere Tage keine Toxizität festgestellt. Es konnte kein Einfluss einer Harnstoffgabe auf die Entwicklung vonFöten bei Ratten und Mäusen festgestellt werden.[80]
Die orale Gabe von hochdosierten Harnstofflösungen beiHunden über 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 dieHautpenetration von anderen Stoffen.[80]
Zum qualitativen Nachweis eignet sich die Fällung alsHarnstoffnitrat. In essigsaurer Lösung lässt sich Harnstoff mitXanthydrol inDixanthylharnstoff überführen und ausfällen. Harnstoff kann mittelsUrease enzymatisch 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]
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