第四級アンモニウムカチオン

有機化学では、第四級アンモニウムカチオン（クワットとも呼ばれる）は、構造[ NR4 ] ⁺の正電荷を持つ多原子イオンであり、Rはアルキル基、アリール基^[ ₁ ^]またはオルガニル基である。アンモニウムイオン（NH + 4 ）や第^一級、第二級、第三級アンモニウムカチオンとは異なり、第四級アンモニウムカチオンは溶液のpHに関係なく永久に電荷を帯びている。第四級アンモニウム塩または第四級アンモニウム化合物（油田用語では第四級アミンと呼ばれる）は、第四級アンモニウムカチオンの塩である。ポリクワットは、より大きな分子内に複数のクワット分子を提供する、さまざまな人工ポリマー形態である。

クワットは、抗菌剤（洗剤や消毒剤など）、柔軟剤、ヘアコンディショナーなど、消費者向け製品に使用されています。抗菌剤として、エンベロープウイルス（ SARS-CoV-2など）を不活化することができます。クワットは、漂白剤ベースの消毒剤よりも表面に優しく、一般的に布地にも安全です。^{[ 2 ]}

第四級アンモニウム化合物は、第三級アミンのアルキル化によって調製される。工業的に第四級アンモニウム塩を製造する際には、通常、脂肪族ニトリルの水素化が行われ、これにより第一級または第二級アミンが生成される。これらのアミンはその後、塩化メチルで処理される。^{[ 4 ]}

アルキルアミンのアルキルハライドによる四級化は広く知られている。^{[ 5 ]}古い文献ではメンシュトキン反応と呼ばれることが多いが、現代の化学者は通常、単に四級化と呼ぶ。^{[ 6 ]}この反応は、アルキル鎖の長さが異なる化合物を生成するために使用できる。例えば、カチオン界面活性剤を作る場合、アミン上のアルキル基の1つは通常、他のアルキル基よりも長い。^{[ 7 ]}典型的な合成法としては、長鎖アルキルジメチルアミンと塩化ベンジルから塩化ベンザルコニウムを生成する方法がある。

CH₃ ( _CH₂ ) _nN ( _CH₃ ) _₂ + _{ClCH₂C₆H₅} → [ CH₃ ( CH₂ _{) nN ( CH₃} ) _{₂CH₂C₆H₅} ] ₊ Cl⁻_​​​_​​​_​​_​​^​​^​

第四級アンモニウムカチオンは、強力な求電子剤、酸化剤、酸に対しても反応しません。また、ほとんどの求核剤に対しても安定です。後者は、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドやテトラブチルアンモニウムヒドロキシドなどの水酸化物塩が高温でも安定していることからわかります。160 °Cの 6M NaOH 中におけるMe ₄ NOHの半減期は>61 時間です。^{[ 8 ]} 

その安定性から、多くの珍しい陰イオンが第四級アンモニウム塩として単離されている。例としては、反応性の高いペンタフルオロキセナート（XeF ⁻ ₅ ）イオンを含むテトラメチルアンモニウムペンタフルオロキセナートが挙げられる。過マンガン酸塩は、 N Bu ⁺ ₄塩として使用される場合、有機溶媒に溶解することができる。 ^{[ 9 ] [ 10 ]}

非常に強い塩基によって、第四級アンモニウムカチオンは分解します。過酷な条件下またはチオラートなどの強い求核剤の存在下では、ソムレ・ハウザー転位^{[ 11 ]}およびスティーブンス転位^{[ 12 ]}、ならびに脱アルキル化が起こります。N−C−C−H ユニットを含む第四級アンモニウムカチオンは、ホフマン脱離およびエムデ分解も起こします。

• テトラメチルアンモニウムイオン：（CH ₃）₄ N ⁺、Me ₄ N ⁺とも表記される（Me =メチル基）
• テトラエチルアンモニウムイオン：（C ₂ H ₅）₄ N ⁺、Et ₄ N ⁺とも表記される（Et =エチル基）
• テトラプロピルアンモニウムイオン：（n - _{C3H7 ）4N} ⁺、Pr4N ₊^とも表記される（Pr =プロピル基）
• テトラブチルアンモニウムイオン：（n - _{C4H9 ）4N} ⁺、Bu4N ⁺とも表記_される（Bu =ブチル基）

第四級アンモニウム塩は、消毒剤、界面活性剤、柔軟剤、帯電防止剤（シャンプーなど）として使用されます。液体柔軟剤では、塩化物塩がよく使用されます。乾燥機の帯電防止ストリップでは、硫酸塩がよく使用されます。古いアルミニウム電解コンデンサや殺精子ゼリーにも第四級アンモニウム塩が含まれています。第四級アンモニウム塩は、避妊薬、動物用医薬品、診断検査、ワクチン製造、鼻腔用製剤にも使用されます。^{[ 14 ]}

クワット系消毒剤の人体への安全性プロファイルに関する理解度について懸念が提起されている。2020年8月現在、米国環境保護庁がCOVID-19に有効と推奨した消毒剤の半分はクワットのいずれかを含んでおり、多くの場合、クワットが唯一の成分となっている。^{[ 15 ]}クワットに曝露されたサルモネラ菌と大腸菌O157:H7は、抗生物質に対する交差耐性を獲得している。懸念事項は、COVID-19パンデミックに関連したクワットの使用増加が、自然環境および人工環境におけるより大きな微生物群集の抗生物質耐性に及ぼす潜在的な影響である。^{[ 16 ]}

薬

第四級アンモニウム化合物は抗菌活性を有する。^{[ 18 ]}第四級アンモニウム化合物、特に長鎖アルキル基を含むものは、抗菌剤および消毒剤として使用される。例としては、塩化ベンザルコニウム、塩化ベンゼトニウム、塩化メチルベンゼトニウム、塩化セタルコニウム、塩化セチルピリジニウム、セトリモニウム、セトリミド、塩化ドファニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、塩化ジデシルジメチルアンモニウム、臭化ドミフェンなどがある。また、真菌、アメーバ、およびエンベロープウイルス（ SARS-CoV-2など）にも有効であり、^{[ 19 ] [ 20 ]}ほとんどの第四級アンモニウム化合物は、細胞膜またはウイルスエンベロープを破壊することによって作用すると考えられている。^{[ 21 ]} （デクアリニウムや類似のビス-QACなど、一部のQACは、異なる作用機序の証拠を示している。）^{[ 22 ]}

第四級アンモニウム化合物は、攻撃できる膜コートを持たない内生胞子と非エンベロープウイルスを除く、さまざまな生物に対して致死性があります。内生胞子の問題は、発芽を強制する化学物質を加えることで解決できます。 ^{[ 23 ] [ 24 ]}グラム陰性菌、マイコバクテリア、バイオフィルム中の細菌に対しては、貫通または破壊する必要のある追加の層があるため、効果が低下します。MRSAなどの一部の細菌は、カチオンを細胞外に排出する耐性遺伝子qacA/BおよびqacC/Dを獲得しています。^{[ 22 ]}

相間移動触媒

有機化学において、第四級アンモニウム塩は相間移動触媒（PTC）として用いられる。このような触媒は、混ざり合わない溶媒に溶解した試薬間の反応を促進する。反応性の高い試薬であるジクロロカルベンは、クロロホルムと水酸化ナトリウム水溶液の反応によってPTCを介して生成される。

自然界にはいくつかの第四級アンモニウム誘導体が存在する。^{[ 33 ]} 代表的な例としては 、グリシンベタイン、コリン、カルニチン、ブチロベタイン、ホマリン、トリゴネリンなどが挙げられる。浸透圧調節物質であるグリシンベタインは、細胞内の浸透圧を安定させる。^{[ 34 ]}

コリンは神経伝達物質アセチルコリンの前駆体です。コリンは、多くの植物や動物の器官に存在するレシチンの構成成分でもあります。 ^{[ 35 ]}リン脂質 にも含まれています。例えば、生体膜の主要成分であるホスファチジルコリンは、動物や植物組織中の脂肪性物質であるレシチン群に属しています。^{[ 36 ]}

カルニチンは脂肪酸の消化に関与する。^{[ 37 ]}

第四級アンモニウム化合物は、軽度の皮膚や呼吸器の刺激^{[ 38 ]}から、皮膚や胃腸壁の重度の腐食性火傷（濃度による）、胃腸症状（吐き気や嘔吐など）、昏睡、痙攣、低血圧、死亡に至るまで、さまざまな健康影響を示す可能性がある^{[ 39 ] 。}

これらは、手術中の全身麻酔で神経筋遮断薬を使用した際に発生するアナフィラキシー反応の原因となる化学物質群であると考えられています。^{[ 40 ]}クオタニウム-15は、手のアレルギー性接触皮膚炎の最も一般的な原因です（959例中16.5%）。 ^{[ 41 ]}

第四級アンモニウム化合物の定量は困難な場合がある。いくつかの方法としては、テトラフェニルボレートによる固体塩の沈殿が挙げられる。別の方法として、エプトン滴定では、陰イオン性色素の存在下で水とクロロホルムの間で分配が行われる。個々の陽イオンは、ESI-MSおよびNMR分光法によって検出可能である。^{[ 4 ]}

• アンモニウム
• ベンジルトリメチルアンモニウムフルオリド
• イミニウム

• 「第四級アンモニウム化合物の毒性」。国際的に査読された化学物質安全情報（INCHEM）。世界保健機関。