Wittig-Reaktion: Mechanismus, Varianten & Anwendung
Die Wittig-Reaktion ist eine chemische Reaktion zur Synthese von Alkenen aus Aldehyden oder Ketonen mithilfe von Phosphoryliden. Sie zählt zu den wichtigsten Methoden der organischen Chemie.
Wissenswertes über "Wittig-Reaktion"
Die Wittig-Reaktion ist eine chemische Reaktion zur Synthese von Alkenen aus Aldehyden oder Ketonen mithilfe von Phosphoryliden. Sie zählt zu den wichtigsten Methoden der organischen Chemie.
Was ist die Wittig-Reaktion?
Die Wittig-Reaktion ist eine bedeutende Reaktion der organischen Chemie, bei der ein Aldehyd oder ein Keton mit einem Phosphoryliid (auch Phosphoryliid oder Wittig-Reagenz genannt) zu einem Alken (Olefin) umgesetzt wird. Als Nebenprodukt entsteht dabei Triphenylphosphinoxid. Die Reaktion wurde von dem deutschen Chemiker Georg Wittig entwickelt, der dafür im Jahr 1979 den Nobelpreis für Chemie erhielt.
Die Wittig-Reaktion ermöglicht die gezielte Knüpfung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung an einer definierten Position im Molekül und ist daher ein unverzichtbares Werkzeug in der organischen Synthese, insbesondere in der Naturstoffsynthese und der pharmazeutischen Chemie.
Mechanismus der Wittig-Reaktion
Der Mechanismus der Wittig-Reaktion verläuft in mehreren Schritten:
- Bildung des Phosphorylids: Ausgangspunkt ist ein Triphenylphosphin, das mit einem Alkylhalogenid zu einem Phosphoniumsalz reagiert. Durch Behandlung mit einer starken Base entsteht das reaktive Phosphoryliid (auch Ylid genannt), bei dem ein Kohlenstoffatom negativ geladen ist und direkt an das Phosphoratom gebunden ist.
- Reaktion mit der Carbonylverbindung: Das Phosphoryliid reagiert mit dem Aldehyd oder Keton. Dabei bildet sich über einen konzertierten oder stufenweisen Mechanismus zunächst ein zyklisches Zwischenprodukt, das sogenannte Oxaphosphetan.
- Retro-[2+2]-Cycloaddition: Das Oxaphosphetan zerfällt in einer Retro-[2+2]-Cycloaddition in das gewünschte Alken und Triphenylphosphinoxid. Die starke P=O-Bindung im Triphenylphosphinoxid ist thermodynamisch sehr stabil und treibt die Reaktion voran.
Arten von Wittig-Reagenzien und Stereoselektivität
Je nach Substitution des Ylids können unterschiedliche Stereoisomere des Alkens entstehen:
- Nicht-stabilisierte Ylide (mit rein alkylierten Resten) liefern bevorzugt das (Z)-Alken (cis-Alken).
- Stabilisierte Ylide (mit elektronenanziehenden Gruppen wie Ester oder Carbonyl am Ylid-Kohlenstoff) liefern bevorzugt das (E)-Alken (trans-Alken).
- Semi-stabilisierte Ylide liefern Gemische beider Isomere.
Diese Stereoselektivität ist für die Synthese komplexer Moleküle von großer Bedeutung, da die räumliche Anordnung der Atome die biologische Aktivität einer Verbindung stark beeinflussen kann.
Varianten und Weiterentwicklungen
Im Laufe der Zeit wurden wichtige Varianten der Wittig-Reaktion entwickelt:
- Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion (HWE-Reaktion): Hierbei werden Phosphonat-Ester anstelle von Phosphoniumyliden eingesetzt. Diese Variante liefert häufig eine höhere (E)-Selektivität und ist besonders nützlich für die Synthese von α,β-ungessättigten Estern und verwandten Verbindungen.
- Schlosser-Modifikation: Durch eine modifizierte Reaktionsführung kann die (E)-Selektivität auch bei nicht-stabilisierten Yliden erhöht werden.
- Still-Gennari-Reaktion: Eine Variante der HWE-Reaktion, die speziell auf die Synthese von (Z)-konfigurierten Alkenen ausgerichtet ist.
Anwendungsgebiete
Die Wittig-Reaktion und ihre Varianten finden in vielen Bereichen Anwendung:
- Naturstoffsynthese: Synthese von Terpenen, Carotinoiden (z. B. β-Carotin), Vitaminen (z. B. Vitamin A und D) sowie Insektenpheromonen.
- Pharmazeutische Chemie: Herstellung von Wirkstoffen und Vorstufen für Medikamente.
- Materialwissenschaften: Synthese von konjugierten Polymeren für organische Leuchtdioden (OLEDs) und andere elektronische Materialien.
- Agrochemie: Synthese von Pflanzenschutzmitteln und anderen agrochemischen Verbindungen.
Vor- und Nachteile
Die Wittig-Reaktion bietet entscheidende Vorteile gegenüber anderen Methoden zur Alkenbildung:
- Die Position der neu gebildeten Doppelbindung ist eindeutig definiert (keine Umlagerungen wie bei Eliminierungsreaktionen).
- Die Reaktion ist gut verträglich mit vielen funktionellen Gruppen.
- Die Stereoselektivität kann durch die Wahl des Ylids beeinflusst werden.
Als Nachteil gilt die Bildung von Triphenylphosphinoxid als Nebenprodukt, das in großem Überschuss anfällt und die Aufarbeitung des Reaktionsgemisches erschweren kann. In industriellen Prozessen wird daher häufig auf die HWE-Reaktion ausgewichen, bei der die Phosphornebenprodukte leichter abzutrennen sind.
Quellen
- Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S. - Organic Chemistry, 2. Auflage, Oxford University Press (2012).
- Wittig, G.; Geissler, G. - Zur Reaktionsweise des Pentaphenyl-phosphors und einiger Derivate. Justus Liebigs Annalen der Chemie, 580(1), 44–57 (1953).
- Maryanoff, B. E.; Reitz, A. B. - The Wittig olefination reaction and modifications involving phosphoryl-stabilized carbanions. Chemical Reviews, 89(4), 863–927 (1989).
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