Catión de amonio cuaternario

En química orgánica, los cationes de amonio cuaternario, también conocidos como quats, son iones poliatómicos cargados positivamente de estructura [NR ₄]⁺, donde R es un grupo alquilo, un grupo arilo o grupo organilo. A diferencia del ion amonio (NH+4) y los cationes de amonio primarios, secundarios o terciarios, los cationes de amonio cuaternario están permanentemente cargados, independientemente del pH de su solución. Las sales de amonio cuaternario o los compuestos de amonio cuaternario (llamados aminas cuaternarias en el lenguaje de los campos petroleros) son sales de cationes de amonio cuaternario. Los poliquats son una variedad de formas poliméricas diseñadas que proporcionan múltiples moléculas quat dentro de una molécula más grande.

Los quats 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 quats tienden a ser más suaves con las superficies que los desinfectantes a base de lejía y, por lo general, son seguros para las telas.

Síntesis

Los compuestos de amonio cuaternario se preparan mediante la alquilación de aminas terciarias. La producción industrial de sales quat comerciales suele implicar la hidrogenación de nitrilos grasos, que pueden generar aminas primarias o secundarias. A continuación, estas aminas se tratan con cloruro de metilo.

La cuaternización de alquilaminas mediante haluros de alquilo está ampliamente documentada. En la literatura antigua, esto a menudo se denomina reacción de Menshutkin; sin embargo, los químicos modernos generalmente se refieren a ella simplemente como cuaternización. La reacción se puede utilizar para producir un compuesto con longitudes de cadena alquílicas desiguales; por ejemplo, cuando se fabrican tensioactivos catiónicos, uno de los grupos alquilo de la amina suele ser más largo que los demás. Una síntesis típica es la del cloruro de benzalconio a partir de una alquildimetilamina de cadena larga y cloruro de bencilo:

$[\displaystyle {\ce {\cH3(CH2)_{\n}N(CH3)2{}+ClCH2C6H5- {}[CH3(CH2)_{\mthit {n}N(CH3)2CH2C6H5]+Cl-}}}}$

Reacciones

Los cationes de amonio cuaternario no reaccionan ni siquiera con electrófilos, oxidantes y ácidos fuertes. También son estables frente a la mayoría de los nucleófilos. Esto último está indicado por la estabilidad de las sales de hidróxido, como hidróxido de tetrametilamonio e hidróxido de tetrabutilamonio, incluso a temperaturas elevadas. La vida media del Me₄NOH en NaOH 6 M a 160 °C es >61 h.

Debido a su resiliencia, se han aislado muchos aniones inusuales como sales de amonio cuaternario. Los ejemplos incluyen pentafluoroxenato de tetrametilamonio, que contiene el pentafluoroxenato altamente reactivo (XeF⁻
₅) ion. El permanganato se puede solubilizar en disolventes orgánicos, cuando se utiliza como su NBu⁺
₄ sal.

Con bases excepcionalmente fuertes, se degradan las caciones de cuádruple. Se someten a la reorganización de Sommelet-Hauser y a la reorganización de Stevens, así como a la negociación en condiciones duras o en presencia de núcleos fuertes, como los tiolatos. Las caciones cuaternarias de amonio que contienen unidades N−C−C−H también pueden someterse a la eliminación de Hofmann y a la degradación del Emde.

Ejemplos

• Tetramethylammonium ion: (CH)₃)₄N⁺, también denotado Me₄N⁺ (Me = grupo de metil)
• Tetraethylammonium ion: (C)₂H₅)₄N⁺, también denotado Et₄N⁺ (Et = etil group)
• Tetrapropylammonium ion: ()n-C₃H₇)₄N⁺, también denotado Pr₄N⁺ (Pr = grupo de propilo)
• Tetrabutylammonium ion: ()n-C₄H₉)₄N⁺, también denotado Bu₄N⁺ (Bu = grupo de butilo)

Aplicaciones

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

Concerns have been raised about the level of understanding of safety profile of quat deinfectants on people. En agosto de 2020, la mitad de los desinfectantes que el Organismo de Protección Ambiental de los Estados Unidos sugirió que era eficaz contra el COVID-19 contenía una de las cunas, y a menudo una cuna como único ingrediente. Salmonella y E. coli O157: H7 expuesto a cuartetas han desarrollado resistencia cruzada a los antibióticos. Un tema de preocupación es el efecto potencial del aumento del uso de cunas relacionadas con la pandemia COVID-19 sobre la resistencia a los antibióticos en una comunidad microbiana más grande en la naturaleza y el entorno diseñado.

Medicinas

Los compuestos de amonio cuaternario tienen actividad antimicrobiana. Los compuestos de amonio cuaternario, especialmente los que contienen largas cadenas alquílicas, se utilizan como antimicrobianos y desinfectantes. Ejemplos son cloruro de benzalconio, cloruro de bencetonio, cloruro de metilbencetonio, cloruro de cetalconio, cloruro de cetilpiridinio, cetrimonio, cetrimida, cloruro de dofanio, bromuro de tetraetilamonio, cloruro de didecildimetilamonio y bromuro de domifen. También son buenos contra hongos, amebas y virus con envoltura (como el SARS-CoV-2), y se cree que la mayoría de los compuestos de amonio cuaternario actúan alterando la membrana celular o la envoltura viral. (Algunos QAC, como el decualinio y bis-QAC similares, muestran evidencia de un modo de acción diferente).

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 membrana accesible para atacar. Es posible solucionar el problema de las endosporas añadiendo productos químicos que las obliguen a germinar. Tienen una eficacia reducida contra bacterias gramnegativas, micobacterias y bacterias en biopelículas debido a que tienen capas adicionales que deben penetrarse o romperse. Algunas bacterias, como MRSA, han adquirido genes de resistencia, qacA/B y qacC/D, que bombean el catión fuera de la célula.

Catalizadores de transferencia de fases

En química orgánica, las sales de amonio cuaternario se emplean como catalizadores de transferencia de fase (PTC). Estos catalizadores aceleran las reacciones entre reactivos disueltos en disolventes inmiscibles. El reactivo altamente reactivo diclorocarbeno se genera mediante PTC mediante la reacción de cloroformo e hidróxido de sodio acuoso.

Suavizantes y acondicionadores para el cabello

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 mediante enlaces éster; estos se denominan comúnmente ésteres de betaína o esterquats y son susceptibles de degradación, por ejemplo, mediante hidrólisis. Característicamente, los cationes contienen una o dos cadenas alquílicas largas derivadas de ácidos grasos unidas a una sal de amonio etoxilada. Otros compuestos catiónicos pueden derivarse de imidazolio, guanidinio, sales de amina sustituidas o sales de alcoxiamonio cuaternario.

• Surfactantes cationicos utilizados como suavizadores de tela
• 
  Cloruro de distearyldimethylammonium, un suavizador de tejido de primera generación con baja biodegradabilidad que se elimina.
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  Otro diesterquat, un ablandador de tela contemporáneo.
• 
  El cloruro de amonio Diethyl ester dimethyl utilizado como suavizador de tela.
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  Otro diesterquat usado como suavizador de tela.

Las cualidades antiestáticas que hacen que las sales de amonio cuaternario sean útiles como suavizantes de telas también las hacen útiles en acondicionadores y champús para el cabello. Henkel fue pionero en la idea con una patente de 1984. Los ejemplos incluyen cloruro de cetrimonio y cloruro de behentrimonio.

Retardantes del crecimiento de las plantas

Cycocel (cloruro de clormequat) reduce la altura de las plantas al inhibir la producción de giberelinas, las principales hormonas vegetales responsables del alargamiento celular. Por lo tanto, sus efectos se dan principalmente sobre los tejidos del tallo, pecíolo y tallo floral. Se observan efectos menores en la reducción de la expansión de las hojas, lo que da como resultado hojas más gruesas con un color verde más oscuro.

Ocurrencia natural

Existen en la naturaleza varios derivados de amonio cuaternario. Ejemplos destacados incluyen glicina betaína, colina y carnitina. butirobetaína, homina y trigonelina. La glicina betaína, un osmolito, estabiliza la presión osmótica en las células.

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. Se encuentra en los fosfolípidos. Por ejemplo, las fosfatidilcolinas, un componente importante de las membranas biológicas, son miembros del grupo de sustancias grasas de las lecitinas en los tejidos animales y vegetales.

La carnitina participa en la beta-oxidación de los ácidos grasos.

Efectos sobre la salud

Los compuestos de amonio cuaternario pueden mostrar una gama de efectos de salud, entre los cuales se encuentran la piel leve e irritación respiratoria hasta quemaduras causticas severas en la piel y la pared gastrointestinal (dependiendo de la concentración), síntomas gastrointestinales (por ejemplo, náuseas y vómitos), coma, convulsiones, hipotensión y muerte.

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

Posibles efectos reproductivos en animales de laboratorio

Los desinfectantes a base de amonio cuaternario (Virex y Quatricide) fueron identificados tentativamente como la causa más probable de los aumentos en los defectos de nacimiento y los problemas de fertilidad en ratones de laboratorio enjaulados. Los ingredientes quat de los desinfectantes incluyen cloruro de alquildimetilbencilamonio (ADBAC) y cloruro de didecildimetilamonio (DDAC). Se identificó tentativamente un vínculo similar en las enfermeras. Los estudios contradicen datos toxicológicos anteriores revisados por la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) y la Comisión de la UE.

Cuantificación

La cuantificación de compuestos de amonio cuaternario puede resultar un desafío. Algunos métodos incluyen la precipitación de sales sólidas con tetrafenilborato. Otro método, una valoración de Epton, implica la partición entre agua y cloroformo en presencia de un tinte aniónico. Los cationes individuales son detectables mediante espectroscopia ESI-MS y NMR.