Catión de amonio cuaternario

Os catións de amonio cuaternario, son ións poliatómicos cargados positivamente coa estruura NR+
4, onde R é un grupo alquilo ou arilo.^[1] A diferenza do ión amonio (NH+
4) e os catións de amonio primarios, secundarios e terciarios, os catións de amonio cuaternario están cargados permanentemente, independentemente do pH da súa disolución. Os sales de amonio cuaternario ou compostos de amonio cuaternario (chamados aminas cuaternarias na terminoloxía da industria petrolífera) son sales de catións de amonio cuaternario.

Unha vista "desde arriba" do Bu₄N⁺.

Vista "lateral" do Bu₄N⁺.

Catión de amonio cuaternario. Os grupos R poden ser o mesmo ou diferentes grupos alquilo ou arilo. Ademais, os grupos R poden estar conectados.

Síntese

Os compostos de amonio cuaternario prepáranse por alquilación de aminas terciarias cun halocarburo.^[2] Na literatura vella esta reacción adoitaba chamarse reacción de Menshutkin, pero os químicos modernos chámana simplemente cuaternización.^[3] A reacción pode utilizarse para producir un composto con cadeas alquilo de lonxitudes desiguais; por exemplo cando se producen surfactantes catiónicos un dos grupos alquilo da amina é normalmente máis longo que os outros.^[4] Unha síntese típica é polo cloruro de benzalkonio a partir dunha alquildimetilamina de cadea longa e cloruro de bencilo:

CH₃(CH₂)_nN(CH₃)₂ + ClCH₂C₆H₅ → [CH₃(CH₂)_nN(CH₃)₂CH₂C₆H₅]⁺Cl⁻

Reaccións

Os catións de amonio cuaternario non son reactivos nin sequera con fortes electrófilos, oxidantes e ácidos. Tamén son estables coa maioría dos nucleófilos. Isto último está indicado pola estabilidade dos sales de hidróxidos como o hidróxido de tetrametilamonio e hidróxido de tetrabutilamonio. Debido á súa resistencia, moitos anións pouco comúns foron illados como sales de amonio cuaternario. Exemplos son o pentafluoroxenato de tetrametilamonio, que contén o altamente reactivo ión pentafluoroxenato (XeF−
5). O permanganato pode ser solubilizado en solventes orgánicos, cando se utiliza como o seu sal NBu+
4.^[5][6]

Con bases excepcionalmente fortes os catións de amonio cuaternario degrádanse. Sofren unha redistribución de Sommelet–Hauser^[7] e unha redistribución de Stevens,^[8] así como unha desalquilación baixo as condicións máis duras. Os catións de amonio cuaternario que conteñen unidades N–C–C–H poden tamén sufrir a eliminación de Hofmann e a degradación de Emde.

O cloruro de benzalkonio é un tipo común de sal de amonio cuaternario usado como biocida, un surfactante catiónico, e como un axente de transferencia de fase.^[9] Os ADBACs son unha mestura de cloruros de alquilbencildimetilamonio, nos cales o grupo alquilo pode ser diversos alquilos de lonxitude de cadea par.

Aplicacións

Os sales de amonio cuaternario utilízanse como desinfectantes, surfactantes, suavizantes de tecidos e como axentes antiestáticos (por exemplo, en xampús). Nos suavizantes líquidos de tecidos e roupa adoitan utilizarse sales de cloruros. En antiestáticos para secadoras adoitan utilizarse sales de sulfatos. Os xeles espermicidas tamén conteñen sales de amonio cuaternario.

Axentes antimicrobianos

Os compostos de amonio cuaternario teñen tamén unha actividade antimicrobiana.^[10] Certos compostos de amonio cuaternario, especialmente os que conteñen longas cadeas de alquilo, son utilizados como antimicrobianos e disinfectantes. Exemplos son o cloruro de benzalkonio, cloruro de benzetonio, cloruro de metilbenzetonio, cloruro de cetalkonio, cloruro de cetilpiridinio, cetrimonio, cetrimida, cloruro de dofanio, bromuro de tetraetilamonio, cloruro de didecildimetilamonio e bromuro de domifén. Tamén son bos contra os fungos, amebas e virus con envoltura,^[11] xa que se cre que actúan alterando a membrana plasmática.^[12] Os compostos de amonio cuaternario son letais para unha gran variedade de organismos excepto endósporas, Mycobacterium tuberculosis e virus sen envoltura.

Os compostos de amonio cuaternario son deterxentes catiónicos, e desinfectantes, polo que poden utilizarse para eliminar material orgánico. Son moi efectivos en combinación con fenois. Son desactivados por deterxentes aniónicos (incluíndo os xabóns comúns). Os niveis efectivos son de 200 ppm. Son efectivos a temperaturas de ata 100 °C.

Os sales de amonio cuaternario son utilizados comunmente na industria do catering e como axentes hixienizantes.

Catalizadores de transferencia de fase

En química orgánica, os sales de amonio cuaternario son catalizadores de transferencia de fase (PTC). Ditos catalizadores aceleran as reaccións entre reactivos disoltos en solventes miscibles. O reactivo moi reactivo diclorocarbeno xérase por medio de catalizadores de transferencia de fase por reacción co cloroformo e hidróxido sódico acuoso.

As resinas de intercambio aniónico, en forma de bólas, conteñen ións de amonio cuaternario unidos ao polímero.

Suavizantes téxtiles

Na década de 1950 introduciuse no mercado o cloruro de distearildimetilamonio (DHTDMAC) como suavizante de produtos téxtiles. Este composto deixou de fabricarse porque o catión se biodegradaba moi lentamente. Os suavizantes actuais están baseados en sales de catións de amonio cuaternario, nos que o ácido graxo é ligado ao centro cuaternario por medio dun enlace éster; estes denomínanse comunmente betaína-ésteres ou ésteres-cuaternario e son susceptibles á degradación, por exemplo, por hidrólise.^[13] Caracteristicamente, os catións conteñen unha ou dúas cadeas alquilo longas derivadas de ácidos graxos ligadas a un sal de amonio etoxilatado.^[14] Outros compostos catiónicos poden obterse a partir de imidazolio, catión guanidinio, sales de aminas substituídos, ou sales de amonio alcoxi cuaternario.^[15]

• Surfactantes catiónicos usados como suavizantes téxtiles
• 
  O cloruro de distearildimetilamonio, un suavizante das primeiras xeracións con baixa biodegradabilidade que se retirou do mercado.
• 
  Outro diestercuaternario, un suavizante contemporáneo.
• 
  O cloruro de amonio dimetil éster usado como suavizante.
• 
  Outro diestercuaternario usado como suavizante.

Retardantes do crecemento das plantas

O Cycocel (cloruro de chlormequat) reduce a altura das plantas ao inhibir a produción de xiberelinas, as hormonas vexetais principais responsables da elongación celular. Por tanto, os seus efectos exérceos principalmente sobre os tecidos dos talos, pecíolos e pedúnculos florais. Efectos menores son a redución na expansión das follas, que ten como resultado follas máis grosas e dunha cor verde máis escura.^[16]

Distribución na natureza

A glicina betaina é un catión de amonio cuaternario que aparece na natureza. O seu produto de degradación, a trimetilamina, é responsable do cheiro do peixe que non está fresco.

A colina é un composto de amonio cuaternario.

Os compostos de amonio cuaternario están presentes en osmólitos, especificamente glicina betaína, que estabiliza a presión osmótica nas células.^[17]

A colina é tamén un precursor do neurotransmisor acetilcolina.

A colina é tamén un constituínte da lecitina, que está presente en moitas plantas e órganos animais.^[18] Encóntrase en fosfolípidos. Por exemplo, as fosfatidilcolinas, uns compoñentes principais das membranas biolóxicas, son membros do grupo das lecitinas de substancias graxas en tecidos de plantas e animais.^[19]

1-Oleoil-2-palmitoíl-fosfatidilcolina

Efectos sobre a saúde

Os compostos de amonio cuaternario poden ter unha ampla variedade de efectos sobre a saúde, entre os cales están desde irritacións suaves da pel e respiratorias ^[20] ata graves queimaduras cáusticas na pel e no revestimento gastrointestinal (dependendo da concentración), síntomas gastrointestinais (por exemplo, náuseas e vómitos), estado de coma, convulsións, hipotensión e morte.^[21]

Crese que son os grupos químicos responsables da reacción anafiláctica que ocorre ao usar bloqueantes neuromusculares durante a anestesia xeral en ciruruxía.^[22] O Quaternium-15 é a causa única atopada máis frecuentemente da dermatite de contacto alérxica nas mans (16,5% de 959 casos)^[23]

Posibles efectos na reproducion en animais de laboratorio

Os desinfectantes baseados en amonio cuaternario (Virex e Quatricide) foron inicialmente identificados como a causa máis probable de aumentos en defectos conxénitos e problemas de fertilidade en ratos de laboratorio en catividade.^[24][25]