各類易得的碳氫化合物進行各類C-H鍵官能團化是構建各種有效分子模塊的關鍵步驟之一。在金屬催化的C-H鍵官能團化中，硼化策略具有很大的吸引力，因為得到的硼化產(chǎn)物可以進行各類C-B鍵的轉化。芳基C-H鍵的硼化反應以及發(fā)展得較為全面。然而烷基C-H通常需要與官能團化、導向基團或者特殊條件再進行硼化，只有少量文獻報道了非導向的金屬催化下芐位的C(sp3)-H鍵硼化反應。
近期，德國漢堡大學的Axel Jacobi von Wangelin教授團隊發(fā)現(xiàn)α-二亞胺鈷(II)雙（羧酸酯）和帶有N-雜環(huán)卡賓配體的鈷(II)叔丁氧的這兩類催化劑，在用HBpin和B2pin2做硼化試劑時，都能實現(xiàn)芐位的單硼化或二硼化反應。為了對第一層過渡金屬在C(sp3)-H鍵硼化的應用進行進一步的拓展研究，本文作者用鈷(II)二（六甲基二硅疊氮化物）Co(hmds)2做催化劑，在溫和條件下實現(xiàn)了芐位的C(sp3)-H鍵硼化，并對機理進行了探討。
基于先前的研究，作者以甲苯為底物對條件進行了篩選，以Co(hmds)2為催化劑，正己烷為溶劑，B2pin2為硼化試劑，在80℃下以很好的轉化率和近乎完美的化學特異性生成了C-H鍵硼化的產(chǎn)物，并得到大量芐位雙硼化的產(chǎn)物。
值得注意的是，該反應只用添加1當量的B2pin2，具有良好的原子經(jīng)濟性。作者認為是生成了中間副產(chǎn)物HBpin繼續(xù)參與了脫氫偶聯(lián)過程，并且會釋放出氫氣。在相同條件下，B2pin2的反應速率是HBpin的兩倍，并且B2pin2更加經(jīng)濟易得和穩(wěn)定，故使用B2pin2作為硼化試劑。
在最佳條件下，作者對底物進行了探討。底物為甲苯時有5%的單硼化產(chǎn)物，當苯環(huán)上帶有取代基時有10%-20%的單硼化產(chǎn)物。當苯環(huán)上含有氨基、硅基、Bpin時都能較好的反應。4-甲氧基甲苯參與反應時，有24%C-OMe斷裂的產(chǎn)物。
鄰、間、對為的二甲苯加入2.1當量的B2pin2參與反應，可以以65%-70%的總產(chǎn)率得到二取代、三取代和四取代的產(chǎn)物。
使用芐位帶有取代基的底物進行反應時，主要得到的是單硼化產(chǎn)物，正-烷基取代時有10%-20%的雙硼化產(chǎn)物生成，大位阻的異-烷基和硅基取代時，沒有得到雙硼化產(chǎn)物。二苯甲烷在該環(huán)境下基本上不反應。
為了驗證試驗機理。作者做了一系列驗證試驗。1）動力學試驗。在動力學同位素效應試驗中，其KIE=2.8，說明催化C-H鍵的裂解是決速步。
2）脫氫偶聯(lián)試驗。B2pin2的反應速率快于HBpin，B2pin2可以直接參與第一次脫氫偶聯(lián)反應，而HBpin需要先進行無受體脫氫偶聯(lián)生成B2pin2和氫氣。在d8-甲苯和B2pin2的反應中，也檢測到了DBpin和D2的生成。B2pin2和4, 4’-二聯(lián)吡啶可以發(fā)生1,8-加成，而在Co(hmds)2和HBpin的存在下也發(fā)生了一樣的反應，不加Co(hmds)2沒有此類反應發(fā)生，說明了Co(hmds)2和HBpin進行了無受體脫氫偶聯(lián)生成B2pin2和氫氣。
3）顏色和UV/Vis色譜。當加入甲苯、萘等底物時，溶液的顏色由綠色變?yōu)樗{色，而加入甲基環(huán)己烷時，溶液的顏色沒有發(fā)生變化。作者認為可以考慮芳烴與鈷絡合物的π相互作用。UV-vis光譜也檢測到了相應的吸收帶。
4）捕捉反應中間體。作者反應條件下進行了催化劑中毒實驗，以區(qū)分同位和異位機理。
5）XANES光譜分析。最開始檢測到了單體和二聚的Co(hmds)2信號。加入B2pin2后與Co(hmds)2配位信號又發(fā)生了改變。加入甲苯開始反應后，觀察到在2.10（典型的對芳烴-π-金屬鍵距離）處具有額外碳背散射貢獻的二聚催化劑物種。反應結束后，EXAFS數(shù)據(jù)記錄了納米粒子的形成（Co-Co配位數(shù)、距離），它們似乎包含來自Bpin或hmds配位的（表面）輕原子。
最后，作者提出了可能的反應機理。首先在B2pin2的參與下進行雙金屬還原消除，釋放出(MeSi)2N-Bpin得到二聚的CoⅠ絡合物，CoⅠ絡合物與芳烴進行π-配位得到中間體A，從而進行C-H鍵的活化，這一過程很可能伴隨的B-B鍵的斷裂被促進。硼酸芐酯的消除再生了活性CoI催化劑。HBpin進行另外的芐位的C-H鍵活化，或者與Co催化劑反應生成B2pin2和H2。
在氘代實驗中，體現(xiàn)了該策略良好的化學選擇性。在某些情況下，觀察到少量的烷基-H活化溶劑正己烷。環(huán)辛烷與20 mol%催化劑在100℃反應條件下反應檢測到痕量烷烴硼化產(chǎn)物。
綜上所述，本文報道了一種新的鈷催化的芐基C-H硼化反應。該反應在溫和條件下以Co(hmds)2作為催化劑和穩(wěn)定且廉價的B2pin2進行反應得到二硼酸芐酯，并在質(zhì)子分解后得到硼酸芐酯衍生物，不需要過量的硼化試劑并且具有良好的化學選擇性。機理研究表明H2是唯一的副產(chǎn)物。
Selective Benzylic CH-Borylationsby Tandem Cobalt Catalysis
doi.org/10.1002/anie.202110821
