Harnstoffsynthese

Thema dieses Films ist die Synthese von Harnstoffen. Harnstoff ist eine organische Verbindung mit der Summenformel CH4N2O. In seiner reinen Form ist Harnstoff ein weißer, kristalliner Feststoff. Er wird von den meisten Lebewesen als Endprodukt von Stoffwechselvorgängen mit dem Urin ausgeschieden. Lange Zeit dachten die Wissenschaftler, dass organische Substanzen etwas komplett anderes sein als anorganische Substanzen. Die Bildung organischer Substanzen führten sie auf eine spezielle Lebenskraft zurück, die es nur in Organismen gab. Daher schien eine Herstellung organischer Verbindungen im Labor unmöglich. Dies änderte sich 1828, als der Chemiker Friedrich Wöhler Kaliumcyanat und Ammoniumsulfat mischte. Aus der Verbindung dieser beiden anorganischen Substanzen entstanden kleine, weiße Kristalle, die ihm bekannt vorkamen und er analysierte sie gründlich. Das Ergebnis war verblüffend, denn es handelte sich bei diesen Kristallen um die gleiche Substanz, die er aus dem Urin isoliert hatte, Harnstoff. Es war also doch möglich, organische Substanzen aus anorganischen Ausgangsstoffen herzustellen. Mit dieser künstlichen Synthese von Harnstoff wurde auch die lange vorherrschende Trennung zwischen organischen und anorganischen Substanzen aufgehoben und der Einstieg in die organische Chemie gelegt. Wir stellen die Synthese von Harnstoff nach Wöhler in einem Versuch nach. Dafür lösen wir etwas Kaliumcyanat und Ammoniumchlorid in destilliertem Wasser. Die Lösung geben wir in ein Porzellanschälchen und dampfen sie langsam ein, indem wir sie mit dem Bunsenbrenner erwärmen. Es dauert eine Weile, bis das Wasser nach und nach verdampft. Fängt die Mischung an zu spritzen, ist nur noch wenig Wasser enthalten. Kurz bevor die Masse ganz trocken ist, entfernen wir sie vom Bunsenbrenner und lassen sie abkühlen. Wir stellen fest, es sind tatsächlich weiße Kristalle entstanden. Doch woher weiß man, dass es sich dabei um Harnstoff handelt? Eine Möglichkeit, Harnstoff nachzuweisen, ist die sogenannte Biuret Probe. Biuret ist eine organische Verbindung, die normalerweise beim Erhitzen von Harnstoff unter Abspaltung von Ammoniak entsteht. In einer alkalischen Lösung geht Biuret eine violette Komplex-Verbindung mit Kupfer-(II)-Ionen ein. Dies wollen wir überprüfen und geben einer Lösung aus den entstandenen Kristallen und destilliertem Wasser etwas Natronlauge hinzu. Durch das Erhitzen der Ausgangslösung im ersten Versuch sollten sich auch genug Biuret-Moleküle gebildet haben. Nun wird etwas Kupfersulfat-Lösung hineingetropft. Die Lösung färbt sich violett und liefert so den Nachweis für Biuret. Bei den Kristallen, die aus der Synthese von Kaliumcyanat und Ammoniumchlorid entstanden sind, handelt es sich also tatsächlich um Harnstoff. Harnstoff wird in vielen Bereichen angewendet und daher in großen Mengen industriell hergestellt. Aufgrund des hohen Stickstoffgehalts dient er beispielsweise als Düngemittel. Global betrachtet ist Harnstoff der meistverwendete Stickstoffdünger. So verwenden zum Beispiel in Asien viele Reisbauern Harnstoff, um ihre Felder zu düngen. In der Pharmazie dient Harnstoff als hornlösender Wirkstoff in verschiedenen Rezepturen für Pasten oder als Feuchtigkeitsspender in einigen Salben. Auch in vielen Kosmetika ist Harnstoff aufgrund seiner feuchtigkeitsregulierenden Wirkung enthalten. Außerdem dient Harnstoff oft als Reduktionsmittel für Stickoxide in den Abgasen von Kraftwerken und Verbrennungsmotoren. Noch heute spielt also die Entdeckung der Möglichkeit, organische Stoffe aus anorganischen Substanzen herzustellen, eine wichtige Rolle.