Weißen Phosphor selektiv funktionalisieren

Moleküle, die ein Phosphoratom enthalten, dienen als Liganden in der Übergangsmetallkatalyse, als Pharmazeutika, Photoinitiatoren und Flammschutzmittel. Bisher stellt die Industrie sie aus hochreaktivem P₄ her und benötigt dazu weitere, oft giftige Reagenzien. Es gibt Alternativen.

Phosphor ist als Bestandteil der DNA essenziell für das Leben, und menschengemachte Phosphorspezies sind aus unserem Leben nicht wegzudenken.

Industriell entstehen die meisten dieser P₁-Produkte aus weißem Phosphor, dem reaktivsten Allotrop des Elements. Hierfür wird P₄ mit Chlorgas zu Phosphortrichlorid oxidiert und danach mit Nukleophilen in die gewünschten P₁-Produkte überführt.

Alternativ lässt sich weißer Phosphor durch Disproportionierung in Laugen zu Phosphan PH₃ umsetzen, das anschließend in einer Hydrophosphinierung mit ungesättigten Verbindungen zu Monophosphorverbindungen reagiert (Abbildung 1).

Nachteile der indirekten Synthese

Beide Methoden sind indirekte Synthesen, die Nachteile aufweisen: Chlorieren erfordert die giftigen und korrosiven Verbindungen Cl₂ und PCl₃; zudem entstehen bei der anschließenden Derivatisierung große Mengen chloridhaltiger Nebenprodukte. Die zweite Methode liefert eine Ausbeute von nur 25 % PH₃, da gleichzeitig Natriumphosphinat und -phosphit gebildet werden.

Daher ist es wichtig, alternative Funktionalisierungsmethoden zu entwickeln. Die Reaktivität weißen Phosphors wurde seit den 1970er Jahren eingehend untersucht. P₄ reagiert aufgrund seiner gespannten Struktur – die P-P-P-Winkel betragen nur 60 ° – bereitwillig mit etlichen Übergangsmetallkomplexen und ungesättigten Hauptgruppenspezies wie Carbenen. Allerdings wird bei diesen Reaktionen in vielen Fällen das P₄-Tetraeder entweder nur teilweise abgebaut, oder die Reaktionen verlaufen unselektiv.

Weißen Phosphor gezielt zu funktionalisieren ist deshalb so schwierig, weil die sechs P-P-Bindungen des P₄-Tetraeders kontrolliert brechen und bis zu 16 neue Phosphor-Element-Bindungen entstehen müssen. In den letzten Jahren gab es entscheidende Fortschritte.

Erste Fortschritte: Photochemie

Erste katalytische Ansätze zur P₄-Funktionalisierung wurden in den 1990er- und frühen 2000er-Jahren publiziert, aber erst in den letzten Jahren gab es entscheidende Fortschritte. Die erste photokatalytische Bildung von P-C-Bindungen und damit ein Meilenstein in diesem Forschungsfeld kam im Jahr 2019 von Wolf und Team.¹⁾ Sie nutzten ein typisches Photokatalyse-Setup mit ([Ir(dtbbpy)(ppy)₂]PF₆) als Katalysator, Triethylamin als reduktivem Quencher und regten mit blauem Licht an. So setzten sie P₄ mit Aryliodiden zu Triarylphosphanen oder Tetraarylphosphoniumiodiden um.

Aufgrund des größeren sterischen Anspruchs ortho-substituierter Phenyliodide reagieren diese ausschließlich zu neutralen Phosphanen, während andere Substitutionsmuster Phosphoniumsalze liefern (Abbildung 2). Beide Produktklassen sind von Bedeutung: Phosphane dienen als Übergangsmetallliganden und Edukte für Wittig-Reagenzien; Phosphoniumsalze kommen in der Phasentransferkatalyse und als Additive in der Heck-Reaktion zum Einsatz.

Die photokatalytische Arylierung weißen Phosphors verläuft nach einem komplexen Mechanismus. Wie NMR-spektroskopische Studien zeigen, entsteht zuerst intermediär ein primäres Arylphosphan Ar-PH₂, das anschließend stufenweise zum tertiären Phosphan oder Phosphoniumsalz aryliert wird. Allerdings ist nicht sicher, wie sich das primäre Phosphan bildet. In der Originalarbeit von 2019 vermuteten Wolf und Mitarbeitende, dass sich nach Anregung des Iridiumkatalysators mit blauem Licht zunächst ein [Et₃N]^∙+-Radikalkation bildet. Dieses würde anschließend mit dem Aryliodid reagieren, wobei ein Phenylradikal entstünde. Dieses wiederum könnte mit P₄ reagieren und das Tetraeder stufenweise abbauen.

Einer mechanistischen Studie aus dem Jahr 2021 zufolge könnte alternativ Triethylamin als Wasserstoffradikal- und Protonenquelle dienen, und P₄ würde zuerst zu Phosphin PH₃ abgebaut.²⁾ Es ist nicht auszuschließen, dass beide Reaktionen gleichzeitig ablaufen.

Zinnhydride

Kurz nach der photokatalytischen Funktionalisierung weißen Phosphors transformierten Wolf, Scott und Gruppen P₄ mit Zinnhydriden, was die Palette an alternativ zugänglichen Monophosphorverbindungen erweiterte. Wie die Teams fanden, reagiert P₄ mit sechs Äquivalenten Tributylzinnhydrid vollständig zu einem Gemisch aus Bu₃Sn-PH₂ und (Bu₃Sn)₂-PH als Hauptkomponenten sowie Spuren von (Bu₃Sn)₃P und PH₃ (Abbildung 3a).³⁾ Diese Reaktion wird durch blaues Licht oder einen Radikalstarter wie Azo-bis-isobutyronitril (AIBN) ausgelöst und verläuft deshalb mit hoher Wahrscheinlichkeit radikalisch.

Das Stannylphosphangemisch (Bu₃)Sn_nPH_3−-n (n = 1 – 3) lässt sich wegen der relativ labilen P-Sn- und P-H-Bindungen selektiv zu industriell relevanten P₁-Verbindungen umsetzen – eine Auswahl zeigt Abbildung 3b. So liefert Protonierung mit Chlorwasserstioff PH₃ in mehr als 56-prozentiger Ausbeute – mehr als doppelt so viel wie die der konventionellen Synthese von PH₃ aus P₄ (Abbildung 1). Durch Oxidation des Stannylphosphangemischs (Bu₃)Sn_nPH_3−-n mit Wasserstoffperoxid und anschließendes Protonieren entsteht Phosphinsäure H₃PO₂. Diese kommt als Reduktionsmittel zum Einsatz, um Oberflächen zu vernickeln.

Außerdem lässt sich das (Bu₃)Sn_nPH_3−-n mit Paraformaldehyd zu Trimethoxyphosphan, P(CH₂OH)₃ umsetzen. Nach Zufügen von HCl bildet sich unter diesen Reaktionsbedingungen Tetramethoxyphosphoniumchlorid (THPC), [P(CH₂OH)₄]Cl. Dieses dient häufig als Flammschutzmittel.

Nebenprodukte abtrennen

Alle aufgeführten Funktionalisierungen von (Bu₃)Sn_nPH_3−-n produzieren stöchiometrische Mengen Tributylzinnchlorid. Scotts und Wolfs Gruppe zufolge lässt dieses sich mit über 90-prozentiger Ausbeute aus dem Reaktionsgemisch abtrennen. Anschließende Alkoholyse und Umsetzen mit dem preisgünstigen Reduktionsmittel Polymethylhydroxysiloxan (PMHS) regeneriert das Tributylzinnhydrid Bu₃SnH. So lassen sich zinnhaltige Abfälle bei der P₄-Funktionalisierung verringern.

Im Falle der Synthese von [P(CH₂OH)₄]Cl lassen sich der radikalische P₄-Abbau und die Regenerierung von Bu₃SnH kombinieren, was zu einem katalytischen Kreislauf führt (Abbildung 3b). Umsetzen von P₄ mit Paraformaldehyd (CH₂O)_n und katalytischen Mengen Bu₃SnOMe sowie PMHS liefert zuerst Trimethoxyphosphan, das zu Tetramethoxyphosphoniumchlorid THPC funktionalisiert wird.

Alternative P₄-Funktionalisierung

Ein Beitrag zur alternativen P₄-Funktionalisierung aus dem Jahr 2022 stammt aus Weigands Gruppe. Das Team nutzte sein Wissen über die Synthese reaktiver Phosphorkationen, um ausgehend vom Oxidationsmittel [Ph-I(dmap)₂](OTf)₂ (dmap = Dimethylaminopyridin) das ammoniumsubstituierte Phosphan [P(dmap)₃] (OTf)₃ zu gewinnen (Abbildung 4).⁴⁾ Im Gegensatz zu Phosphortrichlorid ist dieses Salz nicht flüchtig und korrosiv, ist aber ähnlich reaktiv. So lassen sich durch Reaktion mit Grignard-Reagenzien RMgX (X = Br, Cl) alkyl- und arylsubstituierte Phosphane herstellen. Durch die relativ azide C-H-Bindung in Alkinen reagiert [P(dmap)₃](OTf)₃ zudem direkt mit Phenylacetylen zu Tris(phenylethinyl)phosphan und dem Pyridiniumsalz [Hdmap]OTf. Solche Alkinylphosphane sind aufgrund ihrer Reaktivität von hohem akademischem Interesse.

Analog lassen sich durch Reaktion von [P(dmap)₃](OTf)₃ mit Trimethylsilylcyanid Tris(cyano)phosphan und das sylilierte DMAP-Salz [TMS-dmap]OTf gewinnen. Das Produkt P(CN)₃ ist ein wertvoller Präkursor für Festkörper, die sich für optoelektronische und photokatalytische Anwendungen eignen könnten; das Produkt [TMS-dmap]OTf dient zur Synthese starker organischer Oxidationsmittel.

Da es immer wichtiger wird, Strom aus regenerativen Energiequellen herzustellen, könnten auch elektrochemische Ansätze zukünftig eine Alternative zur klassischen P₄-Funktionalisierung sein. Hierzu gibt es eine Arbeit von Liu und Mitarbeitenden aus dem Jahr 2022, die Dicyanophosphanid [P(CN)₂]^−- in Ausbeuten größer 90 Prozent durch direkte Elektrolyse von weißem Phosphor gewinnen, und zwar in Gegenwart von Blausäure und Lithiumcyanid. Diese anionische Phosphorverbindung diente bisher noch nicht zur Synthese industriell relevanter Phosphorverbindungen. Jedoch deuten erste experimentelle Studien auf großes Potenzial als P^−--Transferreagenz hin.⁵⁾

Weißen Phosphor vermeiden

Die vorgestellten Ansätze zielen darauf ab, weißen Phosphor direkt zu Monophosphorverbindungen umzusetzen. Um weißen Phosphor zu gewinnen, ist allerdings ein energieaufwendiger Prozess nötig: Er entsteht aus Apatit, Ca₅(PO₄)₃F, im Lichtbogenofen bei 1500 °C durch Reduktion mit Kohle unter Beimischung von SiO₂.

Dies inspirierte im Jahr 2018 Cummins‘ Gruppe dazu, P₁-Verbindungen direkt aus Apatit herzustellen.⁶⁾ Hierzu nutzten sie das Metaphosphat (TBA)₃[P₄O₉] (TBA = Tetra-n-butylammonium), das relativ leicht aus Apatit zugänglich ist, und reduzierten es mit Trichlorsilan HSiCl₃ (Abbildung 5). Hierbei entsteht das Phosphanid [P(SiCl)₃]⁻, das als TBA-Salz erhalten wird.

Aufgrund der negativen Ladung und der labilen P-Si-Bindungen ist das Phosphanid für Funktionalisierungen zugänglich. So führt die Hydrolyse mit Wasser zu PH₃, während die Oxidation mit Xenondifluorid das Hexafluorophosphat erzeugt. Diese Spezies ist ein wichtiges Gegenion in Lithiumionenakkumulatoren.

In einer komplexeren Reaktion mit (4-Chlorobutyl)benzol und HSiCl₃ sowie anschließender Hydrolyse mit Wasser lässt sich das primäre Phosphan (4-Phenylbutyl)phosphan gewinnen – ein Edukt für das Medikament Fosinopril, einen ACE-Hemmer.

Weiterentwicklung mit Einschränkungen

Die beiden beschriebenen katalytischen Reaktionen liefern entweder nur moderate Ausbeuten oder haben nur geringe Effizienz – die zinnkatalysierte Synthese von THPC erreicht Turnoverzahlen von nur 11; mit dem Phosphanid [P(SiCl₃)₂]⁻ ist bisher nur eine überschaubare Produktpalette zugänglich. Werden diese Einschränkungen überwunden – beispielsweise durch Aufklärung der Katalysemechanismen oder Optimierung der Reaktionsbedingungen –, können sie für die Industrie die Grundlage bilden, phosphorhaltige Feinchemikalien nachhaltig und effizienter herzustellen als bisher.

Der Autor

Peter Coburger, Jahrgang 1992, ist Postdoktorand an der ETH Zürich. Seine Forschungsinteressen sind Redoxchemie von Hauptgruppen- und Übergangsmetallkomplexen cyclischer Biradikale. Er promovierte bei Evamarie Hey-Hawkins an der Universität Leipzig und schloss einen Postdoc-Aufenthalt bei Robert Wolf in Regensburg (2019 – 2020) an.

AUF EINEN BLICK

Monophosphorverbindungen lassen sich seit 2019 auch katalytisch herstellen.

Bisher wurden P1-Verbindungen aus P4 und dieser aus Apatit hergestellt. Ein Syntheseprotokoll aus dem Jahr 2018 zeigt, wie sich P1-Verbindungen direkt aus Apatit erzeugen lassen.

Für eine industrielle Anwendung sind Ausbeuten zu optimieren und Produktpaletten zu erweitern. Dazu müssen die Mechanismen aufgeklärt werden.

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• ¹ U. Lennert, P. B. Arockiam, V. Streitferdt et al., Nat. Catal. 2019, 2, 1101–1106
• ² R. Rothfelder, V. Streitferdt, U. Lennert et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24650–24658
• ³ D. J. Scott, J. Cammarata, M. Schimpf, R. Wolf, Nat. Chem. 2021, 13, 458–464
• ⁴ M. Donath, K. Schwedtmann, T. Schneider et al., Nat. Chem. 2022, 14, 384–391
• ⁵ Y. Mei, Z. Yan, L. L. Liu, J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 1517–1522
• ⁶ M. B. Geeson, C. C. Cummins, Science 2018, 359, 1383–1385

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