Catión amonio cuaternario

En química orgánica , los cationes de amonio cuaternario , también conocidos como quats , son iones poliatómicos cargados positivamente de la estructura [NR ₄ ] ⁺ , donde R es un grupo alquilo , un grupo arilo ^[1] o un grupo organilo . A diferencia del ion amonio ( NH+4) y los cationes de amonio primario, secundario o terciario , los cationes de amonio cuaternario están cargados permanentemente, independientemente del pH de su solución. Las sales de amonio cuaternario o los compuestos de amonio cuaternario (llamados aminas cuaternarias en la jerga petrolera ) son sales de cationes de amonio cuaternario. Los poliquats son una variedad de formas de polímeros diseñados que proporcionan múltiples moléculas de quat dentro de una molécula más grande.

Los cuaternarios se utilizan en aplicaciones de consumo, como antimicrobianos (como detergentes y desinfectantes ), suavizantes de telas y acondicionadores para el cabello . Como antimicrobianos, pueden inactivar virus envueltos (como el SARS-CoV-2 ). Los cuaternarios tienden a ser más suaves con las superficies que los desinfectantes a base de cloro y, por lo general, son seguros para las telas. ^[2]

Los compuestos de amonio cuaternario se preparan mediante la alquilación de aminas terciarias . La producción industrial de sales de amonio cuaternario comerciales generalmente implica la hidrogenación de nitrilos grasos , que pueden generar aminas primarias o secundarias. Estas aminas luego se tratan con cloruro de metilo . ^[4]

La cuaternización de aminas de alquilo por haluros de alquilo está ampliamente documentada. ^[5] En la literatura más antigua, esto a menudo se llama reacción de Menshutkin , sin embargo, los químicos modernos generalmente se refieren a ella simplemente como cuaternización . ^[6] La reacción se puede utilizar para producir un compuesto con longitudes de cadena de alquilo desiguales; por ejemplo, al hacer surfactantes catiónicos, uno de los grupos alquilo en la amina es típicamente más largo que los otros. ^[7] Una síntesis típica es para cloruro de benzalconio a partir de una alquildimetilamina de cadena larga y cloruro de bencilo :

${\displaystyle {\ce {CH3(CH2)_{\mathit {n}}N(CH3)2{}+ClCH2C6H5->{}[CH3(CH2)_{\mathit {n}}N(CH3)2CH2C6H5 ]+Cl-}}}$

Los cationes de amonio cuaternario no reaccionan ni siquiera frente a electrófilos fuertes , oxidantes y ácidos . También son estables frente a la mayoría de los nucleófilos . Esto último se indica por la estabilidad de las sales de hidróxido , como el hidróxido de tetrametilamonio y el hidróxido de tetrabutilamonio, incluso a temperaturas elevadas. La vida media de Me ₄ NOH en NaOH 6M a 160 °C es >61 h. ^[8]

Debido a su resiliencia, se han aislado muchos aniones inusuales como sales de amonio cuaternario. Algunos ejemplos incluyen el pentafluoroxenato de tetrametilamonio , que contiene el altamente reactivo pentafluoroxenato ( XeF⁻
₅) ion. El permanganato se puede solubilizar en disolventes orgánicos , cuando se utiliza como su N Bu⁺
₄sal. ^{[9] [10]}

Con bases excepcionalmente fuertes, los cationes cuaternarios se degradan. Sufren reordenamientos de Sommelet-Hauser ^[11] y de Stevens ^[12] , así como desalquilación en condiciones adversas o en presencia de nucleófilos fuertes, como los tiolatos. Los cationes de amonio cuaternario que contienen unidades N−C−C−H también pueden sufrir eliminación de Hofmann y degradación de Emde .

• Ion tetrametilamonio : (CH ₃ ) ₄ N ⁺ , también denominado Me ₄ N ⁺ (Me = grupo metilo )
• Ion tetraetilamonio : (C ₂ H ₅ ) ₄ N ⁺ , también denominado Et ₄ N ⁺ (Et = grupo etilo )
• Ion tetrapropilamonio : ( n -C ₃ H ₇ ) ₄ N ⁺ , también denotado Pr ₄ N ⁺ (Pr = grupo propilo )
• Ion tetrabutilamonio : ( n -C ₄ H ₉ ) ₄ N ⁺ , también denominado Bu ₄ N ⁺ (Bu = grupo butilo )

Las sales de amonio cuaternario se utilizan como desinfectantes , surfactantes , suavizantes de telas y como agentes antiestáticos (por ejemplo, en champús ). En los suavizantes de telas líquidos , a menudo se utilizan las sales de cloruro . En las tiras antiadherentes para secadoras , a menudo se utilizan las sales de sulfato . Los condensadores electrolíticos de aluminio más antiguos y las gelatinas espermicidas también contienen sales de amonio cuaternario. Los cuaternarios también se utilizan en formulaciones anticonceptivas, productos veterinarios, pruebas de diagnóstico, producción de vacunas y formulaciones nasales. ^[14]

Se han planteado inquietudes sobre el nivel de comprensión del perfil de seguridad de los desinfectantes a base de cuaternarios en las personas. En agosto de 2020, la mitad de los desinfectantes que la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos sugirió como eficaces contra la COVID-19 contenían uno de los cuaternarios, y a menudo un cuaternario como único ingrediente. ^[15] La Salmonella y la E. coli O157:H7 expuestas a los cuaternarios han desarrollado resistencia cruzada a los antibióticos. Un tema de preocupación es el posible efecto del aumento del uso de cuaternarios relacionado con la pandemia de COVID-19 sobre la resistencia a los antibióticos en una comunidad microbiana más grande en la naturaleza y en entornos diseñados. ^[16]

Los compuestos de amonio cuaternario tienen actividad antimicrobiana. ^[18] Los compuestos de amonio cuaternario, especialmente los que contienen largas cadenas de alquilo, se utilizan como antimicrobianos y desinfectantes . Algunos ejemplos son el cloruro de benzalconio , el cloruro de bencetonio, el cloruro de metilbencetonio, el cloruro de cetalconio , el cloruro de cetilpiridinio , el cetrimonio , la cetrimida , el cloruro de dofanio, el bromuro de tetraetilamonio , el cloruro de didecildimetilamonio y el bromuro de domifeno. También son buenos contra hongos , amebas y virus envueltos (como el SARS-CoV-2 ), ^{[19] [20]} se cree que la mayoría de los compuestos de amonio cuaternario actúan alterando la membrana celular o la envoltura viral . ^[21] (Algunos QAC, como el decualinio y bis-QAC similares, muestran evidencia de un modo de acción diferente). ^[22]

Los compuestos de amonio cuaternario son letales para una amplia variedad de organismos, excepto las endosporas y los virus sin envoltura , ya que ambos no tienen una capa de membrana accesible para atacar. Es posible resolver el problema de las endosporas agregando sustancias químicas que las obligan a germinar. ^{[23] [24]} Tienen una eficacia reducida contra bacterias gramnegativas , micobacterias y bacterias en biopelículas debido a que tienen capas adicionales que necesitan ser penetradas o alteradas. Algunas bacterias, como el SARM, han adquirido genes de resistencia, qacA/B y qacC/D , que bombean el catión fuera de la célula. ^[22]

En química orgánica, las sales de amonio cuaternario se emplean como catalizadores de transferencia de fase (PTC). Dichos catalizadores aceleran las reacciones entre reactivos disueltos en disolventes inmiscibles. El reactivo altamente reactivo diclorocarbeno se genera a través de PTC mediante la reacción de cloroformo e hidróxido de sodio acuoso . ^{[ cita requerida ]}

En la década de 1950, se introdujo el cloruro de diestearildimetilamonio (DHTDMAC) como suavizante de telas . Este compuesto se suspendió porque el catión se biodegrada demasiado lentamente. Los suavizantes de telas contemporáneos se basan en sales de cationes de amonio cuaternario donde el ácido graso está unido al centro cuaternario a través de enlaces éster; estos se conocen comúnmente como ésteres de betaína o éster-quats y son susceptibles a la degradación, por ejemplo, por hidrólisis . ^{[26] Característicamente, los cationes contienen una o dos cadenas} de alquilo largas derivadas de ácidos grasos unidos a una sal de amonio etoxilado . ^[27] Otros compuestos catiónicos pueden derivarse de imidazolio , guanidinio , sales de amina sustituidas o sales de alcoxi amonio cuaternario. ^[28]

• Tensioactivos catiónicos utilizados como suavizantes de tejidos
• 
  Cloruro de diestearildimetilamonio , un suavizante de telas de primera generación con baja biodegradabilidad que fue eliminado gradualmente.
• 
  Otro diesterquat, un suavizante de telas contemporáneo.
• 
  Éster dietílico de cloruro de dimetilamonio utilizado como suavizante de telas.
• 
  Otro diesterquat utilizado como suavizante de telas.

Las propiedades antiestáticas que hacen que las sales de amonio cuaternario sean útiles como suavizantes de telas también las hacen útiles en acondicionadores para el cabello y champús . ^[29] La idea fue iniciada por Henkel con una patente en 1984. ^[30] Los ejemplos incluyen cloruro de cetrimonio y cloruro de behentrimonio . ^[31]

El cycocel (cloruro de clormequat) reduce la altura de la planta al inhibir la producción de giberelinas , las principales hormonas vegetales responsables de la elongación celular. Por lo tanto, sus efectos se producen principalmente en los tejidos del tallo, pecíolo y pedúnculo floral. Se observan efectos menores en la reducción de la expansión de las hojas, lo que da como resultado hojas más gruesas y de color verde más oscuro. ^[32]

Existen varios derivados del amonio cuaternario en la naturaleza. ^[33] Algunos ejemplos destacados son la glicina betaína , la colina , la carnitina , la butirobetaína, la homarina y la trigonelina . La glicina betaína, un osmolito , estabiliza la presión osmótica en las células. ^[34]

La colina es un precursor del neurotransmisor acetilcolina . La colina también es un componente de la lecitina , que está presente en muchas plantas y órganos animales. ^[35] Se encuentra en los fosfolípidos . Por ejemplo, las fosfatidilcolinas , un componente principal de las membranas biológicas , son un miembro del grupo de lecitinas de sustancias grasas en los tejidos animales y vegetales. ^[36]

La carnitina participa en la betaoxidación de los ácidos grasos. ^{[ cita requerida ]}

Los compuestos de amonio cuaternario pueden presentar una variedad de efectos sobre la salud, entre los que se incluyen desde irritación leve de la piel y las vías respiratorias ^[37] hasta quemaduras cáusticas graves en la piel y la pared gastrointestinal (dependiendo de la concentración), síntomas gastrointestinales (por ejemplo, náuseas y vómitos), coma, convulsiones, hipotensión y muerte. ^[38]

Se cree que son el grupo químico responsable de las reacciones anafilácticas que ocurren con el uso de fármacos bloqueadores neuromusculares durante la anestesia general en cirugía . ^[39] El Quaternium-15 es la causa más frecuente de dermatitis alérgica de contacto en las manos (16,5 % en 959 casos). ^[40]

Los desinfectantes a base de amonio cuaternario (Virex y Quatricide) fueron identificados tentativamente como la causa más probable de los aumentos repentinos de defectos de nacimiento y problemas de fertilidad en ratones de laboratorio enjaulados. Los ingredientes cuaternarios de los desinfectantes incluyen cloruro de alquil dimetil bencil amonio (ADBAC) y cloruro de didecil dimetil amonio (DDAC). ^{[41] [42]} Se identificó tentativamente un vínculo similar en enfermeras. ^[43] Los estudios contradicen datos toxicológicos anteriores revisados ​​por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (US EPA) y la Comisión Europea. ^[44]

La cuantificación de compuestos de amonio cuaternario puede ser un desafío. Algunos métodos incluyen la precipitación de sales sólidas con tetrafenilborato . Otro método, una titulación de Epton, implica la partición entre agua y cloroformo en presencia de un colorante aniónico. Los cationes individuales son detectables mediante espectroscopia ESI-MS y RMN. ^[4]

• Amonio
• Fluoruro de benciltrimetilamonio
• Iminio

• "Toxicidades del amonio cuaternario". Información sobre seguridad química revisada por pares internacionales (INCHEM) . Organización Mundial de la Salud.