氰基普遍存在于许多天然产物、医药、农药和材料中。此外，它们也是重要的合成中间体。近年来，由于具有步骤和原子经济性的特点，催化的C–H键氰基化反应备受关注，并且取得了较大的进展（Scheme 1a）。研究人员相继报道了过渡金属催化的（杂）芳烃和烯烃的亲电氰基化反应。尽管如此，利用氰基化构建C(sp3)-CN季碳中心的反应仍未见报道。近日，美国耶鲁大学Jonathan A. Ellman课题组报道了Co(III)催化二烯和N-氰基琥珀酰亚胺经连续的C-H键加成反应以构建含氰基的季碳中心。该串联反应具有优异的区域选择性，并且仅得到E-构型的烯烃。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上（DOI: 10.1002/anie.202010735）。
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
最近，该课题组实现了Cp*Co(III)催化内取代二烯烃和羰基经C–H活化和连续的加成反应合成了含季碳中心的高烯丙基醇。作者设想利用此方法经串联的二烯加成和亲电子氰基化构建含有C(sp3)-CN键的季碳中心。通过对氰基化试剂、催化剂、溶剂等条件进行筛选，确定反应的最佳条件为：以Cp*Co(CO)I2为催化剂，AgSbF6为添加剂，NaOPiv为碱，对甲苯基-1H-吡唑1a、异戊二烯2和N-氰基琥珀酰亚胺3在二氧六环中反应，以76%的收率得到目标产物3aa。在最优反应条件下，作者考察了内部单取代二烯烃的底物范围（Table 1）。烷基或者芳基取代的二烯以中等至良好的收率得到氰基化产物4a-4k，并且兼容多种官能团（如：酯基、氰基等）。C–H键底物上的取代基对反应影响不大，相应产物4l-4r的收率为49%-76%。除吡唑外，六元吡啶和嘧啶环也是合适的导向基（4s-4u）。
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
接着，作者研探究了更具挑战性的1,2-二取代二烯的适用范围（Table 3）。令人高兴的是，1,2-二烷基或芳基取代的二烯烃都能顺利得到氰基化产物8a-8h。2位连有缺电子的取代基的二烯（8f）比含有富电子取代基的二烯（8i）能更有效地进行偶联。
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
为深入探究该反应的机理，作者利用氘化底物进行一系列机理实验（Scheme 4）。当使用苯基-d5-吡唑1ma时，回收的原料中观察到明显的H/D交换，这表明C-H键活化步骤是可逆的（Scheme 4a）。当使用末端双氘化的底物7e-d2时，作者发现产物中氘原子向苄位发生定量迁移（Scheme 4b）。此外，与7e或7e-d2的平行反应的速率几乎相同，这表明β-氢化物的消除和重新插入都不是决速步（Scheme 4c）。
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
基于以上结果和文献报道，作者提出一个合理的三组分氰基化反应机理（Figure 1）。首先，底物1a与活性钴催化剂经可逆的协同金属化和新戊酸盐辅助的脱质子化形成钴环A，其再与二烯经迁移插入形成钴-烯丙基物种B。根据氘代实验结果，中间体B经β-氢化物消除和重新插入得到配合物D。随后，D与N-氰基琥珀酰亚胺3可以经六元椅状过渡态E反应得到钴络合的亚胺F，其脱除钴-琥珀酰亚胺配合物H得到了目标产物G。最后，H经质子脱金属化释放出丁二酰亚胺以再生Cp*Co催化剂。
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
总结：作者发展了Cp*Co(III)催化的三组分氰基化反应，以构建C(sp3)-CN季碳中心。该串联反应具有优异的区域选择性，并且仅得到E-构型的烯烃。内部单取代和1,2-二取代的二烯都是合适的偶联体，并能区域和立体选择性地引入多种官能团。
