Wittig反応はアルケン合成において、最重要反応の一つです。
反応形式としては、Wittig反応は塩基を用いるPeterson反応と似ています。シン脱離を起こし、酸素ーヘテロ原子結合の強さが反応の駆動力ですが、この場合のヘテロ原子はリンです。しかし、Wittig反応における脱離は反応中間体から起こり、単離した出発物からは起こりません。この中間体は反応系で生成し、すぐ分解します。したがってWittig反応は、炭素ー炭素結合生成を伴うアルケン合成の別の例であるJuliaオレフィン化やPeterson反応よりもずっと簡単なので、幅広く利用されています。
リン原子が特に荷電していたり電気陰性度の大きい置換基を持つ場合、リンに隣接する炭素に結合する水素の酸性度が増大します。ホスホニウム塩(アミンからアンモニウム塩を合成するのと同じような方法で、ホスフィンとハロゲン化アルキルとの反応で合成できます。)は強塩基で脱プロトン化すると形式的に負電荷と正電荷を隣接する原資に持つイリドという化学種になります。イリドはホスホランと呼ばれている化学種としてもあらわすことができます。
イリドは単離することもできますが、普通は反応系中で調製して、すぐにそのまま用いられます。イリドは求核剤であり、アルデヒドやケトンのカルボニル基を攻撃して4員環中間体であるオキサホスフェタンを生成します。オキサホスフェタンは不安定であり、脱離反応を起こしてアルケンを生じ、ホスフィンオキシドを複製します。P=O結合は非常に強く、これが反応全体の駆動力になっています。
Wittig反応の立体選択性
イリドは大きく二つのタイプに分けることができます。カルボニル基のように負電荷に隣接して共役できる、つまりアニオンを安定化できる置換基があるものと、これがないものがあります。置換基がある場合は、負電荷がリン原子だけではなく、隣接する官能基によっても安定化されるため、安定です。このようなイリドは安定イリドと呼ばれます。一方、アニオンを安定化できる置換基がないイリドを不安定イリドと呼ぶこともあります。不安定イリドを用いる場合はZ選択性が現れ、安定イリドを用いる場合はE選択性が現れることになります。
Z選択的Wittig反応
単純なアルキル基Rが置換している場合に見られるZ選択性は、Juliaオレフィン化でみられたE選択性と相補的です。
不安定イリドを用いるWittig反応のZ選択性は、オキサホスホフェンタンの生成とそのアルケンへの分解の2段階を考慮しなければならないので、これまでの脱離反応の場合より、さらに状況は複雑です。
脱離反応の方が説明が容易です。
この段階は立体特異的であり、酸素とリンが塩基触媒によるPeterson反応のようにシンペリプラナー遷移状態をへて脱離する。イリドのアルデヒドへの付加の段階では、原理的には2種類のジアステレオマーのオキサホスフェタン中間体が生成する。この段階が不可逆であるなら、脱離反応は立体異性体比はこの付加段階の立体選択性を反映することになります。
Rが共役型でもアニオン安定化基でもない不安定イリドの場合には、これが確かに成り立ちます。オキサホスフェタンのシンのジアステレオマーが優先して、生成し、これを反映してZZ-アルケンが優先して、生成します。すなわち、Z選択的なWittig反応は、シン-オキサホスフェタン中間体を生成する立体選択的な第一段階と、それに続くこの中間体からの立体特異的脱離によるZZ-アルケンが生成する段階から構成されています。
オキサホスフェタンの生成機構が完全にはわかっていないため、不安定イリドを用いると、なぜシン体のオキサホスフェタンの生成が有利であるのかは口述のE選択性と同様にはっきりとはよくわかっていません。以下のような、軌道対称性の法則に基づく説明がある。
EE選択的Wittig反応
カルボニル基などと共役して、アニオンが安定化されている安定イリドは、アルデヒドと反応EE-アルケンを生じる
安定イリドは実際とても安定であり、例えばここに示したイリドは水から再結晶することもでき、またイリドは出発物のホスホニウム塩よりも安定である。しかし、安定であることは、同時に反応性があまり高くないことを意味しており、ホスホニウム塩の代わりにリン酸エステルを用いたほうがいい結果を与える場合がしばしばある。
リン酸エステルは水素化ナトリウムやアルコキシドによりプロトンを引き抜かれリンで安定化されたカルボアニオンを生成し、アルデヒドやケトンと反応して、EE-アルケンを生成する。リン酸エステルを用いるアルケン生成反応はHorner-Wadsworth-Emmons反応と呼ばれている。
なぜイリドが安定化されているとなぜE選択性になるのだろうか？
ここでも詳細は明らかではなく、いくつかの説明が可能性として提唱されている。
不安定イリドの場合と同様に、生成物のアルケンの立体化学はオキサホスフェタン中間体の立体化学によって決定されると考えれ、したがって安定イリドから得られるオキサホスフェタンはアンチのはずである。
アンチ形のオキサホスフェタンの生成は熱力学支配によるものと考えられてきたが、いまでは速度支配でも立体選択的に生成すると考えられている。アルキル置換の不安定イリドとの違いは、アルデヒドの分極したカルボニル基とエステルCO2RCO2Rのような電気的に陰性の安定化基との反発である。４員環を平らにするとCO2RCO2R基とPhPh基は４員環の面に対して反対側にくる。