尿素

1.1 农业

世界工业生产中90%以上的尿素都被用作氮肥。尿素是所有常用固体氮肥中含氮量最高的。因此，每单位氮肥的运输成本最低。

许多土壤细菌具有酶脲酶，它可以催化尿素转化为氨（NH₃）或铵离子(NH₄⁺)和碳酸氢根离子(HCO₃⁻)。因此，尿素肥料能够在土壤中迅速转化为铵的形式存在。在已知含有脲酶的土壤细菌中，一些氨氧化细菌（AOB），例如亚硝基单胞菌，还可以吸收反应释放的二氧化碳，通过卡尔文循环产生生物质，并通过将氨(脲酶的另一种产物)氧化成亚硝酸盐来获取能量，这一过程称为硝化。^[2]亚硝酸盐氧化细菌，尤其是硝化菌，能够将亚硝酸盐氧化成硝酸盐，由于其带负电，在土壤中极易移动，这也是它是农业水污染的主要原因。铵和硝酸盐容易被植物吸收，是植物生长的主要氮源。尿素也用于许多多组分固体肥料配方中。尿素极易溶于水，因此也非常适合用于肥料溶液(尿素与硝酸铵混合使用，简称：UAN)中，如“叶面肥”。在肥料的使用方面，颗粒撞的肥料要优于小球状的肥料，因为它们的粒度分布较窄，是力学应用上的一个优势。

合成尿素中最常见的杂质是缩二脲，它会影响植物的生长。

尿素的施用量通常为每公顷40至300公斤，在不同情况下的施用量不尽相同。尿素的施用量较少时，由于淋滤较少，因此可以减少尿素施用时的损失。在夏季，人们通常在在下雨之前或下雨期间喷洒尿素，以最大限度地减少挥发造成的损失(氮元素会以氨气的形式挥发到大气中)。

由于尿素中氮的含量很高，所以实现尿素的均匀分布是非常重要的。施肥的设备必须经过精确地校准并正确地使用。由于有可能会破坏种子发芽，不得在接触或靠近种子的地方钻孔。尿素能够溶于水，也可以用作喷雾剂或通过灌溉系统施用。

在谷物和棉花作物中，尿素通常在播种前最后一次种植时施用。在高降雨量地区、沙质土壤中(土壤中的氮可能会通过淋滤流失)以及在季节降雨量充足的地区，尿素在生长季节可以侧施或追肥。追肥在牧草和饲料作物上也很常见。在甘蔗栽培中，尿素在种植后侧施，施于每种宿根作物。

在灌溉作物中，尿素可以干施于土壤，或者溶解并通过灌溉水施用。尿素可以溶解在与自身重量相等的水中，但随着浓度的增加，溶解变得越来越困难。尿素溶解在水中是吸热的——尿素溶解时，溶液温度下降。

通常在实际应用中，当准备用尿素溶液灌溉施肥时(注入灌溉渠)， 每1 L水中不能溶解超过3g尿素。

0.5%至2.0%的尿素溶液通常在园艺作物叶面施肥时使用。通常使用的是低缩二脲等级的尿素。

尿素能够从大气中吸收水分，因此通常储存在托盘上的密封袋中，如果散装储存，则用防水布将其覆盖。与大多数固体肥料一样，尿素最好储存在凉爽、干燥、通风良好的地方。

过量施用尿素或在种子附近放置尿素是十分有害的。^[3]

1.2 化学工业

尿素是制造两种主要材料的原料: 船用胶合板用的脲醛树脂和脲三聚氰胺甲醛。

1.3 炸药

尿素可以用来制造硝酸尿素，一种工业上使用的烈性炸药，也是一些简易爆炸装置的一部分。它是硝化纤维 炸药中的稳定剂。

1.4 汽车系统

尿素应用于 SNCR （选择性非催化还原反应）和 SCR （选择性催化还原反应）中以减少柴油机、双燃料和稀燃天然气发动机燃烧废气中的NO_x 污染物。例如，BlueTec系统能够将水基尿素溶液注入排气系统。尿素水解产生的氨与氮氧化物的排放发生反应，在催化转化器内转化为氮和水。使用这些催化转化器的卡车和汽车需要携带柴油废气液，这是一种尿素水溶液。

1.5 实验室用途

10 M 的尿素溶液是一种强有力的蛋白质变性剂，因为它能够破坏蛋白质中的非共价键。利用这种特性可以用来增加一些蛋白质的溶解度。尿素和氯化胆碱的混合物被用作一种深共晶溶剂，它是一种离子液体。

原则上，尿素可以用作燃料电池中后续发电的氢源。可以直接使用尿液/废水中存在的尿素(尽管细菌通常快速降解尿素)。电解尿素溶液制氢的电压较低(0.37 V)，因此比电解水(1.2 V)消耗的能量少。^[4]

8 M的尿素溶液可以用来使固定的脑组织对可见光透明，同时仍然保留标记细胞的荧光信号。这使得对神经元过程的成像比以前使用传统的单光子或双光子共聚焦显微镜更深入。^[5]

1.6 医疗用途

含尿素的面霜被用作局部皮肤的护理产品来促进皮肤的水合作用。含量为40%的尿素溶液适用于牛皮癣,干燥病,甲真菌病,鱼鳞癣,湿疹,角化病,角皮病玉米和老茧等皮肤疾病。如果采用封闭敷料涂敷，40%的尿素制剂也可用于非手术性的指甲清创术。40%的尿素制剂能够“溶解甲盖的细胞间基质”^[6]。只有病变或营养不良的指甲被切除，因为对指甲的健康部分没有影响。这种制剂也用作耳垢清除剂。

尿素也曾是一种利尿剂。1892年弗里德里希博士首次将其作为利尿剂使用。^[7]在2010年针对重症监护室（ICU）患者的一项研究中表明，尿素被用于治疗血容量性低钠血症，此方法安全、廉价且操作简单。^[8]

和生理盐水一样，尿素注射以前曾被用于流产手术。^[9]

血尿素氮 (BUN)测试即测量血液中来自尿素的氮含量。它是一项肾功能的指标，但它不如像肌酐一样的其他指标有更大的意义，因为血尿素水平容易受饮食和脱水等其他因素影响。^[10]

尿素呼气试验使用碳-14 或碳-13标记的尿素，该试验用于检测人体胃部和十二指肠中的幽门螺杆菌（H.pylori))与消化性溃疡。该试验检测的是由幽门螺杆菌产生的脲酶，该酶是由尿素生成氨的反应产生的。这一过程能够增加细菌周围胃部环境的pH值(降低了酸度)。可以通过相同的测试在如类人猿、狗和猫(包括大猫)等动物的体内检测出类似于幽门螺旋杆菌的细菌种类。

1.7 其它用途

• 尿素是动物饲料的一种成分，为其提供成本相对较低的氮源来促进生长。
• 尿素是一种可以代替岩盐的非腐蚀性道路除冰剂。^[11]尽管尿素的效果不如传统岩盐或氯化钙，但它通常是宠物友好盐替代品的主要成分。^[12]
• 尿素是一些脱毛剂的主要成分，如奈尔（Nair）和薇婷(Veet)。
• 尿素是工厂生产的椒盐卷饼中的一种褐变剂。
• 尿素是一些润肤露^[13] 、保湿霜 、护发素和洗涤剂的成分。
• 尿素和其他盐类共同使用可作为播云剂。
• 尿素可作为耐火剂，如：如尿素-碳酸氢钾混合物常用于干粉灭火器。
• 尿素是许多牙齿美白产品中的一种成分。
• 尿素是洗碗皂中的一种成分。
• 尿素与磷酸二铵一起作为酵母营养液，可用于将糖发酵成乙醇。
• 尿素可以作为一种浮游生物在用于地球工程海洋营养实验中的营养物质。
• 尿素可以作为延长皮胶工作温度和开裂时间的添加剂。
• 尿素可以作为纺织印染用染料浴的增溶保湿添加剂。
• 尿素可以作为非线性光学中的光学参量振荡器。^{[14] [15]}

尿素会刺激皮肤、眼睛和呼吸道。皮肤反复或长时间接触肥料形式的尿素可能会导致皮炎。

血液中尿素含量过高会产生不良反应。摄入低浓度尿素(如在正常人类尿液中的尿素)后在适当的时间内饮用额外的水并不会产生危险。许多动物(如狗)的尿液较浓，尿素含量也高于正常人的尿液；在危及生命的情况下(例如在沙漠中)，尿液作为饮用液体的来源是十分危险的。

尿素会使藻花产生毒素，而它在肥沃土地径流中的存在可能会导致有毒藻花的增加。^[16]

尿素在加热到熔点以上的温度时会分解，产生有毒气体，并与强氧化剂、亚硝酸盐、无机氯化物、亚氯酸盐和高氯酸盐剧烈反应，引起火灾和爆炸。^[17]

从摄入的食物中提取的氨基酸并不用于合成蛋白质和其他生物质，也不是由肌肉蛋白分解代谢产生的，而是作为能量的替代来源被身体氧化，产生尿素和二氧化碳。^[18]氧化途径始于用转氨酶脱去氨基；然后氨基进入到尿素循环。在肝脏中，氨基酸从蛋白质转化为代代谢废物的第一步是脱去α-氨基氮，从而产生氨。因为氨是有毒的，因此它会被鱼类立即排出体外，被鸟转化为尿酸，被哺乳动物转化为尿素。^[19]

氨(NH₃)是含氮化合物代谢的常见副产物。氨比尿素体积小、更易挥发、流动性好。如果任由氨在体内积聚，细胞内的pH值就会上升到有毒的水平。因此，尽管这一过程会消耗一定的能量，许多生物需要将氨转化为尿素。尿素实际上是中性的，极易溶于水，是人体运输和排泄过量氮的安全载体。

尿素作为尿素循环的一部分，在许多生物体内通过氨基酸或氨的氧化合成。在尿素循环中，由氨和L-天冬氨酸提供的氨基转化为尿素，而L-鸟氨酸、瓜氨酸、L-精氨酸琥珀酸和L-精氨酸则充当中间产物。肝脏产生尿素并且受N-乙酰谷氨酸调节。随后，尿素溶解到血液中(浓度在2.5-6.7 mmol/L的参考范围内)，并作为尿液的一种成分被肾脏进一步运输和排泄。此外，少量尿素(以及氯化钠和水)通过汗液排出。

在水中，胺基被水分子缓慢置换，产生氨、铵离子和碳酸氢根离子。因此，陈旧的尿液比新鲜的尿液有更强烈的气味。

3.1 在人体中的生理学意义

肾脏对尿素的循环和排泄是哺乳动物新陈代谢的重要部分。尿素除了作为废氮的载体外，还在肾单位的逆流交换系统中起着重要的作用，它能够从排泄的尿液中重新吸收水分和关键离子。尿素在肾单位的髓内集合管髓内集合管中被重新吸收，^[20]因此提高了肾袢细下降支附近髓质间质的渗透压，使得水分被重新吸收。

在尿素转运蛋白2的作用下，一些被重新吸收的尿素最终流回细管的细下降支，^[21]人体利用这种由抗利尿激素控制的机制来产生高渗尿，也就是说，尿液中溶解的尿素浓度高于血浆中的尿素浓度。这种机制对于防止水分流失、维持血压和维持血浆中适当浓度的钠离子非常重要。

尿素(以 mmol 计)的等效氮含量(以g计)可由换算系数0.028 g/mmol来估算。^[22]此外，1 g氮大约相当于6.25g 蛋白质，1 g蛋白质大约相当于5 g肌肉组织。出现肌肉萎缩的情况下，1 mmol尿液中过量的尿素(以升为单位的尿量乘以以mmol/l为单位的尿素浓度)大约相当于0.67 g的肌肉损失。

3.2 在其他生物中的生理学意义

在水生生物中，含氮废物最常见的形式是氨，而陆生生物则能够将有毒氨转化为尿素或尿酸。科学家们在哺乳动物和两栖动物以及一些鱼类的尿液中发现了尿素。鸟类和蜥蜴类爬行动物有不同形式的氮代谢，其过程所需的水更少，因此最终以尿酸的形式将氮排泄。值得注意的是，蝌蚪在蜕变过程中会分泌氨，但会转化为尿素。尽管上文中有所概括，但是尿素在生物体内的运输过程不仅在哺乳动物和两栖动物中有记载，在许多其他生物中也有记载，如：鸟类、无脊椎动物、昆虫、植物、酵母、真菌，甚至微生物等。

尿素很容易通过许多不同的方法来定量测试，例如二乙酰单肟比色法和贝特洛反应(在尿素酶将尿素初始转化为氨后)。这些方法适用于高通量仪器，如自动流动注射分析仪^[23]和96孔微孔板分光光度计。^[24]

《脲》描述了一类具有相同官能团的化合物，一个羰基连接着两个有机胺残基上：RR'N—CO—NRR'。如：过氧化脲、尿囊素和乙内酰脲。脲与缩二脲密切相关，并且在结构上与酰胺、氨基甲酸酯、碳二亚胺和硫脲密切相关。

1727年，荷兰科学家赫尔曼·布尔哈夫（Herman Boerhaave）在尿液中首次发现了尿素，^[25]但也有人认为是法国化学家Hilaire Rouelle首先发现的。^[26]

Boerhaave使用以下步骤对尿素进行了分离:^[27][28]

1. 将尿液煮沸，得到一种类似奶油的物质
2. 用滤纸挤出剩余液体
3. 等待一年至油性液体下形成固体
4. 去除油性液体
5. 将固体溶解在水中
6. 用重结晶法分离尿素

1828年，德国化学家弗里德里希·维勒(Friedrich Wöhler)通过用氯化铵处理氰酸银，人工制备了尿素。^[29][30][31]

AgNCO + NH ₄Cl → (NH ₂) ₂CO + AgCl

这是第一次在没有生物体参与的情况下，由无机原料人工合成有机化合物。这个实验的结含蓄地否定了活力论——即生物体的化学物质与无生命物质的化学物质有着根本的不同。这一观点对有机化学的发展很重要。他的发现促使Wöhler得意地写信给贝尔泽利乌斯（Berzelius）:“我必须告诉你，我可以不用人或狗的肾脏来制备尿素。氰酸铵就是尿素。事实上，这句话是不正确的，它们是两种不同的化学物质，在标准条件下，它们之间的化学平衡中非常有利于向生成尿素的方向进行。^[32]无论如何，随着他的发现，Wöhler在有机化学的先驱中获得了一席之地。

2012年，全球范围内工业尿素产量约为1.84亿吨。^[33]

7.1 工业方法

工业上用尿素是由合成的氨和二氧化碳制备的。由于在合成氨的过程中，大量二氧化碳作为副产品从油气(主要是天然气，较少是石油衍生物)中或偶尔从煤中产生，生产尿素的工厂几乎总是位于氨的生产地附近。虽然天然气是最经济、最广泛的合成氨厂原料，但使用天然气的工厂并不能从过程中产生足够多的二氧化碳来将它们的全部氨产量转化为尿素。近年来，诸如KM-CDR过程等的新技术^[34][35]已经被开发用于从氨合成气装置的燃烧转化炉中产生的燃烧废气中回收补充二氧化碳，允许独立氮肥复合物的公司避免将氨作为单独产品处理和销售，并且还减少了向大气中排放温室气体。

合成

该基本工艺开发于1922年，以其发明者命名，也被称为博世-迈塞尔（Bosch–Meiser）尿素反应。各种商业尿素根据不同的条件，如：尿素的形式、未转化的反应物而进一步加工。该方法由两个主要的平衡反应组成，且反应物转化不完全。首先是氨基甲酸铵的生成过程：液氨与气态二氧化碳(CO₂)在高温高压下快速放热反应生成氨基甲酸铵 (H₂N-COONH₄):^[36]

2 NH ₃+CO ₂ ⇌H ₂N-COONH ₄ (在110 atm和160°C的条件下，δH =-117 kJ/mol)    ^[37]

第二步反应是尿素的转化过程:氨基甲酸铵缓慢的吸热分解成尿素和水；

H ₂N-COONH ₄ ⇌(NH ₂) ₂CO+H ₂O (在160-180°C时，δH =+15.5 kJ/mol)    ^[37]

NH₃和CO₂转化为尿素的整个过程是放热的，^[38]第一步反应的反应热驱动第二步反应。像所有化学平衡一样，这些反应遵循勒沙特列原理（ Le Chatelier's principle），最有利于氨基甲酸酯形成的条件不利于尿素转化的化学平衡。因此，这种工艺是两者的折衷：第二步反应所需的高温(大约190°C)对第一次反应的不良影响可以通过在高压(140-175 bar)下进行反应得到补偿，而高压有利于第一次反应。虽然有必要将气态二氧化碳压缩到这个压力，但氨可以从氨厂以液体形式获得，可以更经济地泵入系统。为了使尿素生成这一缓慢的反应达到平衡，则需要很大的反应空间，因此大型尿素装置中的合成反应器往往是体积较大的压力容器。

由于尿素转化不完全，产品必须与未反应的氨基甲酸铵分离。在早期的“直通式”尿素工厂中，这是通过将系统压力降低到大气压来让氨基甲酸铵分解回氨和二氧化碳来实现的。最初，因为再压缩氨和二氧化碳用于循环是不经济的，氨至少可以用于制造其他产品，例如硝酸铵或硫酸铵。(而二氧化碳通常会被废弃。)后来的工艺方案可以回收未被利用的氨和二氧化碳。这是通过将反应溶液分阶段减压(首先减压至18-25bar，然后减压至2-5bar)，并在每个阶段都通过蒸汽加热来实现氨基甲酸铵分解，然后在降膜氨基甲酸铵冷凝器中重新将二氧化碳和氨结合，并将氨基甲酸铵溶液泵入上一步反应的容器中。

汽提

“全循环”这个概念有两个主要缺点。首先是流程方案的复杂性，因为需要大量的工艺设备。其次是氨基甲酸铵溶液中循环的水量，这对于尿素转化反应的平衡以及整个工厂的效率有不利。“汽提”这一概念是由荷兰的Stamicarbon 在20世纪60年代初提出的，它解决了这两个问题，还改善了工艺中的热量回收和再利用。

氨基甲酸铵的生成/分解中的平衡位置取决于反应物的分压。在总循环过程中，可以通过降低总压力来促进氨基甲酸铵分解，从而降低氨和二氧化碳的分压。然而，通过仅抑制一种反应物的分压，可以在不降低总压力的情况下达到类似的效果。汽提过程首先将二氧化碳通过汽提塔(一种氨基甲酸铵的分解器，在全系统压力下运行，并配置为提供最大的气液接触)，而不是像在全循环过程中那样将二氧化碳和氨一起直接送入反应器中。这样可以冲洗掉游离氨，降低其在液面上的分压，并将其直接带到氨基甲酸铵冷凝器中(该过程也在全系统压力下进行)。从那里，重新合成的的氨基甲酸铵溶液直接进入到反应器。这样就完全消除了全循环过程的中压阶段。

汽提概念的提出是行业内的一个巨大的进步，Snamprogetti公司——现在的Saipem公司(意大利)、前Montedison公司(意大利)、Toyo Engineering Corporation (日本)和Urea Casale公司(瑞士)等都开发了属于各自的汽提工艺。时至今日，所有新的尿素工厂都应用这一原理生产尿素，许多之前采用全循环工艺的尿素工厂也已经开始使用汽提工艺。目前还没有人提出一种更好的方案来代替汽提工艺。为了响应业界对逐渐增大的独立工厂的需求，当今技术发展的主要方向是重新配置和调整工厂中的主要项目，以减小工厂的规模和整体高度，并实现具有挑战性的环保目标。^[38][39]

副反应

幸运的是，尿素的转化反应很慢。如果反应很快的话，反应就会在汽提塔中向相反的方向进行。事实上，这个过程的后续阶段必须设计成最短的停留时间，至少要让温度降低到逆反应非常缓慢的程度。

有两个反应会产生杂质。两个尿素分子结合脱去一分子氨会形成缩二脲：

2 NH ₂CONH ₂→ H ₂NCONHCONH ₂+ NH ₃

通常，通过保持过量氨来在反应器中抑制这个反应的发生，但在产物经过汽提塔后，直到温度降低前这个反应会一直发生。当尿素作为肥料时，缩二脲不应该存在其中，因为缩二脲对作物有毒，但其毒害程度取决于作物本身的性质和尿素的施用方法。^[40](实际上作为牛饲料添加剂时，尿素中是可以存在缩二脲的)。

氰酸铵与尿素也处于化学平衡中，其热分解则生成异氰酸:

NH ₂CONH ₂→ NH ₄NCO → HNCO + NH ₃

当尿素溶液在低压下加热时，反应最不理想，这种情况发生在造粒时的溶液浓缩过程。反应产物大多挥发到塔顶蒸汽中，它们再次冷凝成尿素时重新结合，进而污染工艺冷凝液。

腐蚀性

众所周知，氨基甲酸铵溶液对金属建筑材料具有腐蚀性，甚至对更耐侵蚀的不锈钢也有腐蚀性——尤其是在工厂最热的部分，如汽提塔中。历史上，通过不断地向工厂内注入少量的氧气(如空气)来在暴露的不锈钢表面建立和保持一层钝化层，能够将腐蚀程度降低到最小(但不能完全消除)。因为二氧化碳原料是从氨合成气中回收的，所以它含有微量的氢气，如果使其与过多的钝化空气结合，则会形成爆炸性混合物。

20世纪90年代中期，两种双相(铁素体-奥氏体)不锈钢被引入尿素工厂中使用，一种是DP28W不锈钢，由东洋工程（Toyo Engineering）和住友金属工业（Sumitomo Metals Industries）联合研发^[41]，另一种是Safurex不锈钢，由Stamicarbon 和Sandvik (瑞典)两家公司共同研发。^[42][43]这使得尿素厂可以大大减少钝化氧的量。理论上，生产过程可以在不额外通氧气的条件下进行。

Saipem公司现在使用锆剥离管或钛体双金属管(其成本更低，但耐腐蚀性较差)和锆合金内衬。这些管子是由ATI Wah Chang公司(美国)使用其Omegabond技术生产的。^[44]

精加工

尿素可以被进一步加工成小球、颗粒、芯块、晶体和溶液等形式。

固体形式

由于尿素作为肥料的主要用途，尿素通常以固体或小球的形式销售。一般来说，小球状尿素的优点是生产成本较低，而且早在成型的的尿素造粒工艺商业化之前，这项技术就已在工业实践中具有一席之地。然而，由于能够以所需的球形度生产的颗粒尺寸有限，且其压碎和冲击强度较低，因此在散装储存、处理和使用过程中，通常认为通常小球状的尿素不如颗粒状(也存在一些例外^[45])。

自现代肥料工业开始以来，通常生产高质量的含有氮和其他组分如磷酸盐的复合肥料，但是由于尿素的低熔点和吸湿性，应用同样的技术对尿素造粒很有难度。^[46]但在20世纪70年代末，三家公司开始开发流化床造粒。第一个进入该领域的是荷兰的Stikstof Maatschappij公司，后来成为Hydro Agri公司(现Yara International )的一部分。^[47]Yara公司最终将这项技术出售给了乌德化肥技术公司(UFT)的子公司乌德有限公司（Uhde GmbH），这家公司现在也正在出售这项技术。大约在同一时期，Toyo Engineering Corporation 开发了喷动床工艺，是一项人工搅动以产生湍流沸腾的流化床工艺。^[48] Stamicarbon 还开发了自己的流化床造粒系统，其使用的是薄膜喷雾而不是雾化喷雾来引入尿素熔体，但这个项目一直搁置到20世纪90年代，当时人们对Hydro (UFT)工艺的商业前景产生了大的怀疑。^[49]时至今日，Stamicarbon技术现在已经商业化，并且非常成功。最近，Urea Casale公司引入了一种不同的流化床造粒系统：尿素从造粒机的侧壁向侧面喷射，而不是从底部喷射。这将流化床化分成在平行的纵向轴上作反向运动两个圆柱体。原料足够均匀，不需要过筛。^[50]

令人惊讶的是，一种非球形的尿素产品，由Stamicarbon 与Sandvik Process Systems（德国）合作开发的，使用Rotoform钢带成型机来制备尿素颗粒的这一工艺正在逐渐普及。其单机容量最多不能超过175 t/d，但设备简单，维护成本低，比能耗要远远小于造粒所需，产品非常均匀。这种方法生产出的尿素坚固，似乎弥补了它的非球形形状。^[51][52]

尿素硝铵溶液

在混合物中，硝酸铵和尿素的总溶解度远远高于其任何单一组分的溶解度，因此有可能获得总氮含量(32%)接近固体硝酸铵(33.5%)的稳定溶液(称为UAN )，当然它的含氮量不如尿素(46%)高。考虑到肥料级固体硝酸铵的安全问题，尿素硝铵溶液提供了一种相当安全且不会完全牺牲农艺特性的替代方法，因为在生长季节短的地区，硝酸铵作为肥料比尿素更有利。尿素硝铵溶液也比固体产品更便于储存和处理，更容易通过机械手段精确地施用于土地。^[53][54]

7.2 实验室制备

在实验室中，光气与伯或仲胺发生反应，通过异氰酸酯中间体，可以得到更一般意义上的尿素。不对称脲可以通过伯胺或仲胺与异氰酸酯的反应获得。

此外，当光气与氨反应时产生尿素:

COCl ₂+ 4 NH ₃→ (NH ₂) ₂CO + 2 NH ₄Cl

尿素是通过硫脲 的S-烷基化将卤代烷转化为硫醇的副产物。这种反应通过异硫脲盐的中间体进行:

RX + CS(NH ₂) ₂→ RSCX(NH ₂) ₂X

RSCX(NH ₂) ₂X +MOH→ RSH + (NH ₂) ₂CO + MX

在这个反应中，R为烃基，X为卤素，M为碱金属。

7.3 发展史

18世纪初，赫尔曼·布尔哈夫（Herman Boerhaave）首先从尿液蒸发中发现了尿素。1773年·希莱尔·鲁埃（Hilaire Rouelle）通过蒸发尿液并在连续过滤中用乙醇处理，从尿液中获得含有尿素的晶体。^[55]卡尔·威尔海姆·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）发现用浓硝酸处理的尿液能够产生晶体，这种方法对Hilaire Rouelle的方法有很大的帮助。安东尼·弗朗索瓦（Antoine François）、佛克罗伊伯爵（comte de Fourcroy）和路易-尼古拉·沃克兰（Louis Nicolas Vauquelin）在1799年发现硝化晶体与鲁埃制备的物质相同，并发明了“urea”一词^[56][57] Berzelius对其纯化进行了进一步的改进^[58]最终在1817年，威廉·普鲁特( William Prout)成功地获得并确定了纯净尿素的化学成分。^[59]在尿素的形成过程中，通过向尿液中加入强硝酸，尿素以硝酸脲的形式沉淀。为了纯化所得晶体，将它们用溶解在沸水中并用炭进行过滤。冷却后，形成纯的硝酸脲晶体。为了从硝酸盐中重新获得尿素，需将晶体溶解在温水中，并加入碳酸钡。然后将水蒸发，加入无水乙醇提取尿素。溶液蒸干后则留下纯尿素。

8.1 分子和晶体结构

尿素分子在晶体结构中是处于一个平面的，但在气相最小能量结构中，氮周围的几何结构是金字塔形的。^[60]在固体尿素中，中心氧原子被两个两个N-H-O 氢键共享。由此产生的致密和能量上有利的氢键网络建立在高效的分子包装的基础上：结构上比较开放，带状结构形成了具有方形横截面的隧道。尿素中的碳是sp²杂化，碳-氮键具有明显的双键特征，与甲醛中的羰基氧相比，尿素中的羰基氧呈碱性。尿素的高水溶性能够反映出它与水形成氢键的能力很强。

由于尿素易于形成多孔框架，所以它能够捕获许多有机化合物。在这些所谓的包合物中，有机“客体”分子被存储在由氢键脲分子组成的互穿螺旋形成的通道中。利用这个特点可以对混合物进行分离，例如在航空燃料和润滑油的生产中，以及在烃的分离中。

由于螺旋是相互连接的，晶体中的所有螺旋都必须相同的分子手性。这是在晶体成核时确定的，因此可以人为诱导。所得晶体已经应用在分离外消旋混合物中。

8.2 化学反应

溶解在水中的尿素与其同分异构体氰酸铵处于化学平衡。^[61]如果溶液中还存在蛋白质，异氰酸离子产生的活性会导致蛋白质的氨基甲酰化(形成长链脲，释放出氨分子作为副产物)。即使没有催化剂，氨甲酰化反应也可以在高温下进行。在室温下，尿素水溶液在脲酶存在下易于发生相同的分解反应。尿素在室温下在没有催化剂的情况下在溶液中异构化是一个缓慢的过程(需要几天才能达到平衡)，新制备的未加热的尿素溶液中的氨甲酰化率可以忽略不计。^[62]

尿素能够与醇反应生成氨基甲酸酯。

尿素能够与丙二酸酯反应生成巴比妥酸。

尿素一词是源于法语urée的新拉丁语，来自古希腊语 中的οὖρον ouron，意为“尿”。