第四級アンモニウムカチオン

有機化学において、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[NR ₄ ] ⁺の正電荷を帯びた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) と第一級、第二級、または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、永久に帯電しています。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ます) は、第四級アンモニウムカチオンの塩です。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、さまざまなエンジニアリングポリマー形式です。

クアットは、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の消費者向け用途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）を不活性化することができます。クアットは漂白剤ベースの消毒剤よりも表面に優しい傾向があり、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製造されます。一般的な第四級アンモニウム塩の工業生産では、通常、脂肪族ニトリルの水素化が行われ、第一級アミンまたは第二級アミンが生成されます。これらのアミンは、その後、塩化メチルで処理されます。^[4]

アルキルアミンのアルキルハロゲン化物による四級化は広く文献に記録されている。^[5]古い文献ではこれはしばしばメンシュトキン反応と呼ばれているが、現代の化学者は通常これを単に四級化と呼んでいる。^[6]この反応はアルキル鎖長が等しくない化合物を生成するために使用できる。例えば、カチオン性界面活性剤を製造する場合、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くなる。^[7]典型的な合成法は、長鎖アルキルジメチルアミンとベンジルクロリドからのベンザルコニウムクロリドの合成である。

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 ⁻

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で示されます。160 ℃の6M NaOH中のMe ₄ NOHの半減期は61時間以上です。 ^[8]

その耐久性のため、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ネート（XeF⁻
₅）イオン。過マンガン酸塩は、 N Buとして使用される場合には有機 溶媒に溶解することができる。⁺
₄塩^{[9] [10]}

非常に強い塩基によって、第四級カチオンは分解します。これらは、ソムレー・ハウザー転位^[11]とスティーブンス転位^[12]を起こすほか、過酷な条件下やチオラートのような強い求核剤の存在下では脱アルキル化を起こします。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、ホフマン脱離やエムデ分解を起こすこともできます。

• 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 -C ₃ H ₇ ) ₄ N ⁺、Pr ₄ N ⁺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 -C ₄ H ₉ ) ₄ N ⁺、Bu ₄ N ⁺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ー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、獣医製品、診断検査、ワクチン製造、点鼻薬にも使用されます。^[14]

クウォット消毒剤の人体に対する安全性プロファイルの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に有効であると示唆した消毒剤の半数には、クウォットのいずれかが含まれており、多くの場合、クウォットが唯一の成分となっている。^{[15]クウォットにさらされた} 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発達させた。懸念されるのは、COVID-19パンデミックに関連したクウォットの使用増加が、自然界と人工環境中のより大きな微生物群集における抗生物質耐性に及ぼす潜在的な影響である。^[16]

第四級アンモニウム化合物には抗菌作用がある。^[18]第四級アンモニウム化合物、特に長いアルキル鎖を含むものは、抗菌剤や消毒剤として使用されている。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、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] （}デカリニウムや同様のビスQACなどの一部の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、さまざまな生物に致死的である。胞子の問題は、胞子を発芽させる化学物質を加えることで解決できる。 ^{[23] [24]}グラム陰性細菌、結核菌、バイオフィルム内の細菌に対する効果は低下している。これらの細菌には、浸透または破壊する必要がある追加の層があるためである。MRSAなどの一部の細菌は、陽イオンを細胞外に排出する耐性遺伝子qacA/BおよびqacC/Dを獲得している。^[22]

有機化学では、第四級アンモニウム塩が相間移動触媒(PTC) として使用されます。このような触媒は、混ざらない溶媒に溶解した試薬間の反応を促進します。反応性の高い試薬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 を介して生成されます。^{[引用が必要]}

1950年代に、ジステアリルジメチルアンモニウムクロリド（DHTDMAC）が柔軟剤として導入されました。この化合物は、カチオンの生分解が遅すぎるため製造中止になりました。現代の柔軟剤は、脂肪酸がエステル結合を介して第四級中心に結合した第四級アンモニウムカチオンの塩に基づいています。これらは一般にベタインエステルまたはエステルクワットと呼ばれ、加水分解などによって分解されやすいです。^{[26]特徴的に、カチオンには、}エトキシル化アンモニウム塩に結合した脂肪酸に由来する1つまたは2つの長いアルキル鎖が含まれています。^{[27]その他のカチオン化合物は}、イミダゾリウム、グアニジニウム、置換アミン塩、または第四級アルコキシアンモニウム塩から誘導できます。^[28]

• 柔軟剤として使用されるカチオン界面活性剤
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  ジステアリルジメチルアンモニウムクロリドは、生分解性が低く段階的に廃止された初期世代の柔軟剤です。
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  もう一つのジエステルクワット、現代的な柔軟剤。
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  柔軟剤として使用されるジエチルエステルジメチルアンモニウムクロリド。
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  柔軟剤として使用されるもう一つのジエステルクワット。

第四級アンモニウム塩は帯電防止性があるため、柔軟剤として有用であり、ヘアコンディショナーやシャンプーにも有用である。^[29]このアイデアは、 1984年にヘンケルが特許を取得した。^[30]例としては、セトリモニウム塩化物やベヘントリモニウム塩化物が挙げられる。^[31]

サイコセル（クロルメクワットクロリド）は、細胞伸長を司る主要な植物ホルモンであるジベレリンの生成を阻害することで、植物の高さを低下させます。したがって、その効果は主に茎、葉柄、花茎組織に現れます。葉の膨張の抑制にはより少ない効果が見られ、その結果、葉は厚くなり、緑色が濃くなります。^[32]

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] 代表的なものとしては、 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ある。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。コリンはレシチンの成分でもあり、多くの植物や動物の臓器に存在します。^{[35]コリンは}リン脂質 に含まれています。例えば、生体膜の主成分であるホスファチジルコリンは、動物や植物の組織に含まれる脂肪物質のレシチングループに属しています。^[36]

カルニチンは脂肪酸のベータ酸化に関与する。 ^[要出典]

第四級アンモニウム化合物は、軽度の皮膚や呼吸器への刺激^{[37]から、皮膚や}胃腸壁へ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、けいれん、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ります。^[38]

これらは、手術中の全身麻酔中に神経筋遮断薬を使用すると起こるアナフィラキシー反応の原因となる化学グループであると考えられています。^[39]クオタニウム-15は、手のアレルギー性接触皮膚炎の最も頻繁に見つかる原因です（959例中16.5％）。 ^[40]

第四級アンモニウム系消毒剤（VirexおよびQuatricide）は、ケージに入れられた実験用マウスの先天異常および生殖障害の急増の最も可能性の高い原因であると暫定的に特定されました。消毒剤に含まれる第四級アンモニウム成分には、アルキルジメチルベンジルアンモニウムクロリド（ADBAC）およびジデシルジメチルアンモニウムクロリド（DDAC）が含まれます。^{[41] [42]}同様の関連が看護師でも暫定的に特定されました。^[43]これらの研究は、米国環境保護庁（US EPA）およびEU委員会がレビューした以前の毒性データと矛盾しています。^[44]

第四級アンモニウム化合物の定量は難しい場合があります。いくつかの方法には、テトラフェニルボレートによる固体塩の沈殿が含まれます。別の方法であるエプトン滴定では、陰イオン性染料の存在下で水とクロロホルムを分配します。個々の陽イオンは、ESI-MSおよびNMR分光法で検出できます。^[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の毒性」。国際的に査読された化学物質安全性情報 (INCHEM)。世界保健機関。