Urée

L’urée, également connue sous le nom de carbamide, est un composé sûr et utile qui a une histoire importante. Il s’agit d’une molécule naturelle produite par le métabolisme des protéines et que l’on trouve en abondance dans l’urine des mammifères.

En 1828, le chimiste allemand Friedrich Wöhler1, alors à l’École polytechnique (aujourd’hui Université technique) de Berlin, a publié un article fondateur dans lequel il a démontré qu’une biomolécule, l’urée, peut être synthétisée à partir d’un matériau de départ non biologique. Wöhler a préparé le composé inorganique cyanate d’ammonium en laboratoire, puis l’a chauffé, ce qui a provoqué son isomérisation en urée. Désormais connue sous le nom de « synthèse de Wöhler », cette réaction a contribué à réfuter le concept de vitalisme, selon lequel les molécules « organiques » ne peuvent être fabriquées que par des organismes vivants.2

Dans une réaction similaire à la synthèse de Wöhler, le carbamate d’ammonium peut être converti en urée et en eau. C’est la base du processus qui est utilisé pour produire de l’urée de manière industrielle depuis près d’un siècle. L’ammoniac et le dioxyde de carbone (CO2) réagissent de manière exothermique pour produire le sel de carbamate, qui est ensuite chauffé pour former de l’urée. La chaleur produite par la première réaction entraîne la seconde. Généralement, l’ammoniac et l’urée sont fabriqués dans la même usine afin qu’une partie du dioxyde de carbone sous-produit de la production d’ammoniac puisse être utilisée pour fabriquer de l’urée.

La capacité mondiale de production d’urée est de ≈220 millions de t/an. Pourquoi l’urée est-elle produite en si grandes quantités ? La réponse est que, hormis l’ammoniac, l’urée a la plus forte teneur en azote de tous les produits chimiques industriels et est très demandée comme engrais. Dans le sol, elle se décompose en ammoniac (en fait, en ion ammonium) et en dioxyde de carbone. Les bactéries fixatrices d’azote oxydent l’ammonium en nitrate, qui est facilement absorbé par les racines des cultures. Outre sa forte teneur en azote, l’urée est particulièrement utile parce qu’elle peut être appliquée sous forme de granulés solides ; et sa solubilité exceptionnellement élevée dans l’eau lui permet d’être incorporée dans des solutions avec d’autres nutriments pour les plantes.

Plus de 90 % de la production d’urée est destinée à l’agriculture. Les ≈20 millions de t restantes fabriquées annuellement sont destinées à l’alimentation animale (les bovins, entre autres, peuvent la transformer en protéines), aux résines urée-formaldéhyde, aux émollients pour les soins de la peau et à la fabrication d’acide barbiturique. La chaleur de solution fortement négative de l’urée dans l’eau est à la base des emballages réfrigérants instantanés, dans lesquels des sachets en plastique contiennent de l’urée et de l’eau dans des compartiments séparés. Lorsque le sceau qui les sépare est brisé, le mélange produit un refroidissement à court terme pour les articulations et les muscles endoloris.

Il est toujours possible de s’améliorer. Dans un article de 2018, l’écrivain scientifique britannique David Bradley a décrit les moyens par lesquels l’urée pourrait être utilisée plus efficacement dans l’agriculture. Et l’année dernière, dans ce que l’on pourrait appeler une « révolution de l’urée », Shuangyin Wang et ses collègues de l’Université de Hunan (Changsha, Chine) et d’autres institutions ont décrit une voie électrochimique vers l’urée.

Bien que l’urée soit largement utilisée en agriculture, la production actuelle d’urée n’est décidément pas « verte ». La production d’ammoniac et d’urée consomme >2% de l’énergie mondiale et émet plus de CO2 que tout autre processus industriel. Le groupe de Wang a développé une méthode électrochimique qui permet de sauter l’ammoniac et de convertir directement l’azote gazeux, le CO2 et l’eau en urée à température et pression ambiantes. La voie de synthèse est complexe, et le procédé n’est pas encore efficace ou suffisamment productif, mais l’objectif vaut certainement la peine d’être atteint.

1. Wöhler était véritablement un chimiste pionnier. En plus de sa synthèse de l’urée, il a isolé les éléments béryllium et yttrium sous forme pure, synthétisé plusieurs composés inorganiques alors inconnus et introduit le concept de groupes fonctionnels organiques

2. Après sa découverte, Wöhler a écrit :  » Je ne peux plus retenir mon eau chimique. Je dois vous dire que je peux fabriquer de l’urée sans utiliser les reins d’aucun animal, qu’il s’agisse d’un homme ou d’un chien. »

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