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Catión amonio cuaternario

Catión amonio cuaternario. Los grupos R pueden ser grupos alquilo o arilo iguales o diferentes . Además, los grupos R pueden estar conectados.

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]

Vista "superior" de Bu 4 N + determinada mediante cristalografía de rayos X. [3 ]
Vista "lateral" de Bu 4 N + determinada mediante cristalografía de rayos X. [3]

Síntesis

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 :

Reacciones

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 .

El cloruro de benzalconio es un tipo común de sal quat utilizada como biocida , surfactante catiónico y agente de transferencia de fase . [13] Los ADBAC son una mezcla de cloruros de alquilbencildimetilamonio, en los que el grupo alquilo tiene varias longitudes de cadena alquílica de número par.

Ejemplos

Aplicaciones

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]

Medicamentos

Buscapina es uno de los muchos espasmolíticos ( medicamentos antiespasmódicos) que contienen el grupo funcional . [ 17]

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]

Catalizadores de transferencia de fase

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 ]

Las resinas de intercambio aniónico , en forma de perlas, contienen iones de amonio cuaternario unidos a un polímero. [25]

Suavizantes de telas 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 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]

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]

Retardantes del crecimiento de las plantas

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]

Ocurrencia natural

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 glicina betaína es un catión de amonio cuaternario que se encuentra en la naturaleza. Su producto de degradación, la trimetilamina , es responsable del olor del pescado en mal estado.
La colina es un compuesto quat.

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 ]

1-Oleoil-2-palmitoil-fosfatidilcolina

Efectos sobre la salud

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]

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 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]

Cuantificación

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]

Véase también

Referencias

  1. ^ IUPAC , Compendio de terminología química , 2.ª edición (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "compuestos de amonio cuaternario". doi :10.1351/goldbook.Q05003
  2. ^ Heffernan T (14 de abril de 2021). "Los mejores limpiadores de superficies, toallitas y desinfectantes". The New York Times . ISSN  0362-4331 . Consultado el 17 de febrero de 2022 .
  3. ^ ab Kern A, Näther C, Studt F, Tuczek F (agosto de 2004). "Aplicación de un campo de fuerza universal a cúmulos mixtos de Fe/Mo-S/Se cubanos y heterocubanos. 1. Sustitución de azufre por selenio en la serie [Fe4X4(YCH3)4]2-; X = S/Se e Y = S/Se". Química inorgánica . 43 (16): 5003–5010. doi :10.1021/ic030347d. PMID  15285677.
  4. ^ ab Weston, Charles W.; Papcun, John R.; Dery, Maurice (2003). "Compuestos de amonio". Enciclopedia Kirk-Othmer de tecnología química . doi :10.1002/0471238961.0113131523051920.a01.pub2. ISBN 0471238961.
  5. ^ Brasen WR, Hauser CR (1954). "Alcohol o-metilbencílico". Síntesis orgánicas . 34 : 58. doi :10.15227/orgsyn.034.0058.
  6. ^ Smith MB, March J (2001). Química orgánica avanzada: reacciones, mecanismos y estructura (5.ª ed.). Nueva York, NY: Wiley-Interscience. ISBN 0-471-58589-0.
  7. ^ Kosswig K. "Surfactantes". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a25_747. ISBN 978-3527306732.
  8. ^ Marino MG, Kreuer KD (febrero de 2015). "Estabilidad alcalina de cationes de amonio cuaternario para membranas de celdas de combustible alcalinas y líquidos iónicos". ChemSusChem . 8 (3): 513–523. Bibcode :2015ChSCh...8..513M. doi :10.1002/cssc.201403022. PMID  25431246.
  9. ^ Herriott AW (1977). "Benceno púrpura: solubilización de aniones en disolventes orgánicos". Revista de educación química . 54 (4): 229. Código Bibliográfico :1977JChEd..54Q.229H. doi :10.1021/ed054p229.1.
  10. ^ Doheny Jr AJ, Ganem B (1980). "Revisión del benceno púrpura". Revista de educación química . 57 (4): 308. Código Bibliográfico :1980JChEd..57..308D. doi :10.1021/ed057p308.1.
  11. ^ Brasen WR, Hauser CR (1963). "2-Metilbencildimetilamina". Síntesis orgánicas; Volúmenes recopilados , vol. 4, pág. 585.
  12. ^ Pine SH (2011). "Reordenamientos promovidos por bases de sales de amonio cuaternario". Reacciones orgánicas . págs. 403–464. doi :10.1002/0471264180.or018.04. ISBN 978-0471264187.
  13. ^ Lackner M, Guggenbichler JP (2013). "Superficies antimicrobianas". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry . págs. 1–13. doi :10.1002/14356007.q03_q01. ISBN 9783527306732.
  14. ^ "Aplicaciones de los Quats". 22 de octubre de 2021.
  15. ^ Lim XZ (2 de agosto de 2020). "¿Sabemos lo suficiente sobre la seguridad de los desinfectantes a base de cuaternario?" . Noticias de ingeniería y química . Consultado el 8 de enero de 2023 .
  16. ^ Hora PI, Pati SG, McNamara PJ, Arnold WA (8 de septiembre de 2020). "Aumento del uso de compuestos de amonio cuaternario durante la pandemia de SARS-CoV-2 y más allá: consideración de las implicaciones ambientales". Environmental Science & Technology Letters . 7 (9): 622–631. doi :10.1021/acs.estlett.0c00437. ISSN  2328-8930. PMC 7341688 . PMID  37566314. 
  17. ^ Bungardt E, Mutschler E (2000). "Espasmolíticos". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a24_515. ISBN 3527306730.
  18. ^ Jia Z, Shen D, Xu W (junio de 2001). "Síntesis y actividades antibacterianas de la sal de amonio cuaternario del quitosano". Investigación sobre carbohidratos . 333 (1): 1–6. doi :10.1016/S0008-6215(01)00112-4. PMID  11423105.
  19. ^ Abedon ST. "Antimicrobianos específicos". Universidad Estatal de Ohio. Archivado desde el original el 15 de octubre de 2008. Consultado el 14 de febrero de 2020 .
  20. ^ Schrank CL, Minbiole KP, Wuest WM (julio de 2020). "¿Son los compuestos de amonio cuaternario, los desinfectantes de uso cotidiano, eficaces contra el síndrome respiratorio agudo severo (coronavirus-2)?". ACS Infectious Diseases . 6 (7): 1553–1557. doi :10.1021/acs.estlett.0c00437. PMC 7341688 . PMID  32412231. 
  21. ^ Cocco AR, Rosa WL, Silva AF, Lund RG, Piva E (noviembre de 2015). "Una revisión sistemática sobre los monómeros antibacterianos utilizados en sistemas adhesivos dentales: estado actual y perspectivas futuras". Materiales dentales . 31 (11): 1345–1362. doi :10.1016/j.dental.2015.08.155. PMID  26345999.
  22. ^ ab Tischer, Maximilian; Pradel, Gabriele; Ohlsen, Knut; Holzgrabe, Ulrike (2 de enero de 2012). "Sales de amonio cuaternario y su potencial antimicrobiano: ¿objetivos o interacciones no específicas?". ChemMedChem . 7 (1): 22–31. doi :10.1002/cmdc.201100404. PMID  22113995. S2CID  26326417.
  23. ^ Nerandzic, MM; Donskey, CJ (octubre de 2016). "Un desinfectante de amonio cuaternario que contiene germinantes reduce las esporas de Clostridium difficile en superficies al inducir susceptibilidad a factores estresantes ambientales". Open Forum Infectious Diseases . 3 (4): ofw196. doi :10.1093/ofid/ofw196. PMC 5198585 . PMID  28066792. 
  24. ^ Tuladhar, E; de Koning, MC; Fundeanu, I; Beumer, R; Duizer, E (abril de 2012). "Diferentes actividades virucidas de recubrimientos de amonio cuaternario hiperramificados sobre el virus de la poliomielitis y el virus de la influenza". Microbiología Aplicada y Ambiental . 78 (7): 2456–8. Bibcode :2012ApEnM..78.2456T. doi :10.1128/AEM.07738-11. PMC 3302582 . PMID  22287007. 
  25. ^ De Dardel, François; Arden, Thomas V. (2008). "Intercambiadores de iones". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . pag. 5. doi : 10.1002/14356007.a14_393.pub2. ISBN 978-3527306732.
  26. ^ Hellberg PE, Bergström K, Holmberg K (enero de 2000). "Surfactantes escindibles". Revista de surfactantes y detergentes . 3 (1): 81–91. doi :10.1007/s11743-000-0118-z. S2CID  195343430.
  27. ^ "Información para el consumidor de Henkel". Henkelconsumerinfo.com. Archivado desde el original el 18 de octubre de 2019. Consultado el 4 de junio de 2009 .
  28. ^ Smulders E, Sung E. "Detergentes para ropa, 2. Ingredientes y productos". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.o15_013. ISBN 978-3527306732.
  29. ^ Cloruro de diestearildimonio en la base de datos de información de productos para el consumidor
  30. ^ "Acondicionadores para el cabello a base de compuestos de amonio cuaternario US4744977". Google Patents . 14 de noviembre de 1985.
  31. ^ "¿Qué es el cloruro de cetrimonio?". naturelcurly.com . Noviembre de 2007. Archivado desde el original el 4 de marzo de 2012.
  32. ^ "Retardantes del crecimiento". Archivado desde el original el 25 de septiembre de 2011 . Consultado el 19 de julio de 2012 .Universidad Agrícola de Wageningen, Países Bajos
  33. ^ Anthoni, U.; Christophersen, C.; Hougaard, L.; Nielsen, PH (1991). "Compuestos de amonio cuaternario en la biosfera: un ejemplo de una estrategia adaptativa versátil". Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Comparative Biochemistry . 99 : 1–18. doi :10.1016/0305-0491(91)90002-U.
  34. ^ Slama, Inès; Abdelly, Chedly; Bouchereau, Alain; Flowers, Tim; Savouré, Arnould (2015). "Diversidad, distribución y funciones de los compuestos osmoprotectores acumulados en halófitas bajo estrés abiótico". Anales de botánica . 115 (3): 433–447. doi :10.1093/aob/mcu239. PMC 4332610 . PMID  25564467. 
  35. ^ Zeisel SH , da Costa KA (noviembre de 2009). "Colina: un nutriente esencial para la salud pública". Nutrition Reviews . 67 (11): 615–623. doi :10.1111/j.1753-4887.2009.00246.x. PMC 2782876. PMID  19906248 . 
  36. ^ Jackowski S, Cronan Jr JE, Rock CO (1991). "Capítulo 2: Metabolismo lipídico en procariotas" . En Vance DE, Vance J (eds.). Bioquímica de lípidos, lipoproteínas y membranas. Elsevier. págs. 80–81. ISBN 0-444-89321-0.
  37. ^ Bello A, Quinn MM, Perry MJ, Milton DK (marzo de 2009). "Caracterización de la exposición ocupacional a productos de limpieza utilizados para tareas de limpieza habituales: un estudio piloto de personal de limpieza de hospitales". Environmental Health . 8 : 11. doi : 10.1186/1476-069X-8-11 . PMC 2678109 . PMID  19327131. 
  38. ^ "Amonio cuaternario". Información sobre seguridad química revisada por pares internacionales (INCHEM) . Organización Mundial de la Salud. PIM G022.
  39. ^ Harper NJ, Dixon T, Dugué P, Edgar DM, Fay A, Gooi HC, et al. (febrero de 2009). "Reacciones anafilácticas sospechosas asociadas con la anestesia". Anaesthesia . 64 (2): 199–211. doi :10.1111/j.1365-2044.2008.05733.x. PMC 3082210 . PMID  19143700. 
  40. ^ Warshaw EM, Ahmed RL, Belsito DV, DeLeo VA, Fowler JF, Maibach HI, et al. (agosto de 2007). "Dermatitis de contacto de las manos: análisis transversales de los datos del grupo de dermatitis de contacto de América del Norte, 1994-2004". Revista de la Academia Estadounidense de Dermatología . 57 (2): 301–314. doi :10.1016/j.jaad.2007.04.016. PMID  17553593.
  41. ^ Hunt P (junio de 2008). "Los desinfectantes de laboratorio perjudican la fertilidad de los ratones. Patricia Hunt entrevistada por Brendan Maher". Nature . 453 (7198): 964. doi : 10.1038/453964a . PMID  18563110.
  42. ^ Melin VE, Potineni H, Hunt P, Griswold J, Siems B, Werre SR, Hrubec TC (diciembre de 2014). "La exposición a desinfectantes comunes de amonio cuaternario disminuye la fertilidad en ratones". Toxicología reproductiva . 50 : 163–170. Bibcode :2014RepTx..50..163M. doi :10.1016/j.reprotox.2014.07.071. PMC 4260154 . PMID  25483128. 
  43. ^ Gaskins AJ, Chavarro JE, Rich-Edwards JW, Missmer SA, Laden F, Henn SA, Lawson CC (marzo de 2017). "Uso ocupacional de desinfectantes de alto nivel y fecundidad entre enfermeras". Revista escandinava de trabajo, medio ambiente y salud . 43 (2): 171–180. doi :10.5271/sjweh.3623. PMC 5840865. PMID 28125764  . 
  44. ^ Oficina de Prevención, Pesticidas y Sustancias Tóxicas, EPA de EE. UU. (agosto de 2006). "Decisión de elegibilidad para la reinscripción de cuaternarios de alquilo alifáticos (DDAC)". Epa739-R-06-008 .

Lectura adicional

Enlaces externos