Graças à sugestão de don_crissti e à solução Stéphane Chazelas:
#!/bin/sh
lhs=':URL2'
rhs="URL $(cat temp.txt):URL2"
escaped_lhs=$(printf '%s\n' "$lhs" | sed 's:[][\/.^$*]:\&:g')
escaped_rhs=$(printf '%s\n' "$rhs" | sed 's:[\/&]:\&:g;$!s/$/\/')
sed "s/.*$escaped_lhs/$escaped_rhs/" list.txt
Isso encontrará qualquer linha contendo o final em :URL2
e substituirá por:
URL http://url_new_address.com:URL2