Катион четвертичного аммония - Quaternary ammonium cation

Катион четвертичного аммония. Группы R могут быть одинаковыми или разными алкильными или арильными группами. Также могут быть соединены группы R.

Катионы четвертичного аммония , также известные как четвертичные , представляют собой положительно заряженные многоатомные ионы структуры NR.+
4
, R представляет собой алкильную группу или арильную группу. В отличие от иона аммония ( NH+
4
) И первичные, вторичные, третичные или аммониевые катионы , как четвертичные аммониевые катионы постоянно заряжены, независимо от рНа их раствора. Соли четвертичного аммония или соединения четвертичного аммония (называемые четвертичными аминами на нефтяном языке) являются солями катионов четвертичного аммония. Поликваты представляют собой множество форм сконструированных полимеров, которые содержат множество молекул четвертичного соединения в более крупной молекуле.

Вид «сверху» одного вида Bu 4 N +, определенный с помощью рентгеновской кристаллографии .
"Боковой" вид Bu 4 N +, определенный с помощью рентгеновской кристаллографии.

Синтез

Четвертичные аммониевые соединения получают путем алкилирования из третичных аминов с галокарбона . В более ранней литературе это часто называют реакцией Меншуткина , однако современные химики обычно называют это просто кватернизацией . Реакция может быть использована для получения соединения с разными длинами алкильных цепей; например, при изготовлении катионных поверхностно-активных веществ одна из алкильных групп амина обычно длиннее, чем другие. Типичный синтез хлорида бензалкония из длинноцепочечного алкилдиметиламина и бензилхлорида :

CH 3 (CH 2 ) n N (CH 3 ) 2 + ClCH 2 C 6 H 5 → [CH 3 (CH 2 ) n N (CH 3 ) 2 CH 2 C 6 H 5 ] + Cl -

Реакции

Катионы четвертичного аммония не реагируют даже с сильными электрофилами , окислителями и кислотами . Они также стабильны по отношению к большинству нуклеофилов . Последний свидетельствуют об устойчивости гидроксида солей , таких как гидроксид тетраметиламмонии и гидроксид тетрабутиламмонии даже при повышенных температурах. Период полураспада Me 4 NOH в 6 М NaOH при 160 ° C составляет> 61 час.

Из-за их упругости многие необычные анионы были выделены в виде солей четвертичного аммония. Примеры включают пентафтороксенат тетраметиламмония , содержащий высокореакционный пентафтороксенат ( XeF-
5
) ион. Перманганат может быть солюбилизирован в органических растворителях , если используется в качестве его N Bu.+
4
поваренная соль.

При исключительно сильных основаниях четвертичные катионы разлагаются. Они проходят Sommelet-Hauser перегруппировку и Stevens перегруппировку , а также деалкилирование в жестких условиях или в присутствии сильных нуклеофилов, как тиоляты. Катионы четвертичного аммония, содержащие звенья N – C – C – H, также могут подвергаться элиминированию по Гофману и разрушению по Эмде .

Бензалкония хлорид - это обычный тип четвертичной соли, используемый в качестве биоцида , катионного поверхностно-активного вещества и агента фазового переноса . ADBAC представляют собой смесь хлоридов алкилбензилдиметиламмония, в которых алкильная группа имеет различные длины алкильных цепей с четными номерами.

Приложения

Соли четвертичного аммония используются в качестве дезинфицирующих средств , поверхностно-активных веществ , смягчителей тканей и в качестве антистатических агентов (например, в шампунях ). В жидких кондиционерах для белья часто используются хлоридные соли. В сушильных полосах для защиты от наледи часто используются сульфатные соли. Старые алюминиевые электролитические конденсаторы и спермицидные желе также содержат соли четвертичного аммония.

Как противомикробные препараты

Было также показано, что соединения четвертичного аммония обладают антимикробной активностью. Некоторые соединения четвертичного аммония, особенно те, которые содержат длинные алкильные цепи, используются в качестве противомикробных и дезинфицирующих средств . Примерами являются хлорид бензалкония , хлорид бензетония , метилбензэтонийхлорида, хлорид cetalkonium , хлорид цетилпиридиния , цетримониум , Цетримид , хлорид dofanium, бромид тетраэтиламмония , дидецилдиметиламония хлорид и бромид домифена. Также считается, что соединения четвертичного аммония эффективны против грибков , амеб и вирусов в оболочке , разрушая клеточную мембрану или вирусную оболочку . Соединения четвертичного аммония смертельны для широкого круга организмов, за исключением эндоспор , Mycobacterium tuberculosis и вирусов без оболочки .

Соединения четвертичного аммония являются катионными детергентами , а также дезинфицирующими средствами и как таковые могут использоваться для удаления органических материалов. Они очень эффективны в сочетании с фенолами . Соединения четвертичного аммония дезактивируются анионными детергентами (включая обычное мыло). Кроме того, они лучше всего работают в мягкой воде . Эффективный уровень составляет 200 частей на миллион. Они эффективны при температурах до 100 ° C (212 ° F).

Соли четвертичного аммония обычно используются в пищевой промышленности в качестве дезинфицирующих средств.

Катализаторы фазового переноса

В органической химии соли четвертичного аммония используются в качестве катализаторов межфазного переноса (ПТК). Такие катализаторы ускоряют реакции между реагентами, растворенными в несмешивающихся растворителях. Высокореакционный реагент дихлоркарбен образуется с помощью PTC в результате реакции хлороформа и водного гидроксида натрия .

Анионообменные смолы в форме шариков содержат ионы четвертичного аммония, связанные с полимером.

Кондиционеры для белья и кондиционеры для волос

В 1950-х годах в качестве смягчителя тканей был представлен хлорид дистеарилдиметиламмония (DHTDMAC) . Это соединение было прекращено, потому что катион разлагается слишком медленно. Современные смягчители тканей основаны на солях катионов четвертичного аммония, где жирная кислота связана с четвертичным центром через сложноэфирные связи; их обычно называют бетаиновыми эфирами или четвертичными сложными эфирами, и они подвержены разложению, например, путем гидролиза . Обычно катионы содержат одну или две длинные алкильные цепи, полученные из жирных кислот, связанных с солью этоксилированного аммония. Другие катионные соединения могут быть производными имидазолия , гуанидиния , замещенных аминовых солей или четвертичных алкоксиаммониевых солей.

Антистатические свойства, которые делают соли четвертичного аммония полезными в качестве смягчителей ткани, также делают их полезными в кондиционерах для волос и шампунях . Идея была изобретена компанией Henkel с патентом 1984 года. Примеры включают хлорид цетримониума и бегентримониум хлорид .

Замедлители роста растений

Цикоцел (хлормекват хлорид) снижает высоту растений, подавляя выработку гиббереллинов , основных гормонов растений, ответственных за удлинение клеток. Следовательно, их воздействие в первую очередь на ткани стебля, черешка и цветоноса. Меньший эффект наблюдается в уменьшении разрастания листьев, в результате чего листья становятся толще и имеют темно-зеленый цвет.

Естественное явление

Глицин бетаин , содержащийся в осмолитах , стабилизирует осмотическое давление в клетках.

Глицин бетаин - это встречающийся в природе катион четвертичного аммония. Продукт его разложения, триметиламин , отвечает за запах испорченной рыбы.
Холин представляет собой четвертичное соединение.

Холин является предшественником нейромедиатора ацетилхолина . Холин также входит в состав лецитина , который присутствует во многих органах растений и животных. Он содержится в фосфолипидах . Например, фосфатидилхолины , основной компонент биологических мембран , являются членом лецитиновой группы жирных веществ в тканях животных и растений.

Карнитин участвует в бета-окислении жирных кислот.

1-олеоил-2-пальмитоил-фосфатидилхолин

Воздействие на здоровье

Соединения четвертичного аммония могут оказывать ряд последствий для здоровья, в том числе от легкого раздражения кожи и дыхательных путей до тяжелых ожогов едким веществом на коже и стенке желудочно-кишечного тракта (в зависимости от концентрации), желудочно-кишечные симптомы (например, тошнота и рвота), кома, судороги, гипотония и смерть.

Считается, что они представляют собой химическую группу, ответственную за анафилактические реакции , возникающие при использовании нервно-мышечных блокирующих препаратов во время общей анестезии в хирургии . Кватерниум-15 - единственная наиболее часто встречающаяся причина аллергического контактного дерматита рук (16,5% в 959 случаях).

Возможные репродуктивные эффекты у лабораторных животных

Дезинфицирующие средства на основе четвертичного аммония (Virex и Quatricide) были предварительно определены как наиболее вероятная причина скачков врожденных дефектов и проблем с фертильностью у лабораторных мышей, содержащихся в клетках. Четвертичные ингредиенты в дезинфицирующих средствах включают хлорид алкилдиметилбензиламмония (ADBAC) и хлорид дидецилдиметиламмония (DDAC). Подобная связь предварительно была выявлена ​​у медсестер. Исследования противоречат более ранним токсикологическим данным, рассмотренным Агентством по охране окружающей среды США (US EPA) и Комиссией ЕС.

Количественная оценка

Количественное определение соединений четвертичного аммония в образцах окружающей среды и биологических проб проблематично с использованием обычных методов хроматографии, поскольку соединения хорошо растворимы в воде. При их анализе с помощью тандемной масс-спектрометрии с жидкостной хроматографией было обнаружено, что они следуют правилу исключения. В стандартных условиях ионизации электрораспылением (ESI) соединения моно- и д четвертичного аммония образуют молекулярные ионы с формулой м q/z q скорее, чем m + z/z. Формированием q/2наблюдается для соединений четвертичного аммония (таких как дикват ) в качестве иона-предшественника им q/1как продукт-ион из-за потери одного из четверных зарядов во время CID. В соединениях четвертичного аммония этот процесс также может приводить к образованию ионов-фрагментов с большей массой по сравнению с их ионом-предшественником. Сообщалось, что жидкостное хроматографическое разделение с гидрофильным взаимодействием продемонстрировало успешное разделение соединений четвертичного аммония для их количественного определения в ESI-MS / MS с более высокой точностью.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки