（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

开发具有高区域和化学选择性的新化学发散性催化合成方法对于高效生成高价值产品，同时赋予普通原材料结构多样性非常重要。许多成功的化学发散策略依赖于添加剂、溶剂、催化剂、轻微底物修饰和其它策略的变化来实现这些目标。关于催化剂的改性，有充分证据表明，改变金属可以显著改变催化选择性，尤其在过渡金属系列中。然而，与镧系元素/稀土催化化学相关的常见启发是离子半径的增量变化仅对催化活性有微弱的影响。

对于特定的目标家族，吡啶经常作为配体和导向基团，并且普遍存在于药物和天然产物中，是小分子药物中第二常见的环系(Figure 1a)。有机硼烷是多种偶联反应的通用试剂，例如Suzuki-Miyuara交叉偶联(Figure 1b)。2014年，Maks实验室利用有机镧系(Cp*₂La-)催化剂实现了吡啶1,2-硼氢化反应(Figure 1c, left)。

迄今为止，实现α-选择性功能化的主要方法是通过N-活化、去质子金属化、SnAr、自由基和过渡金属催化。尽管取得了重大进展，但许多这些α-选择性转化需要活化底物或严格的空间位阻或导向基团才能实现高选择性。此外，诸如Minisci和Chichibabin型自由基取代等有效过程需要催化或化学计量的缺电子底物和贵金属。吡啶α-位的功能化仍然具有挑战。在这里，作者使用中到小离子半径(1.175 → 0.995 Å) Cp*₂Ln-催化剂区域和化学选择性实现了吡啶α-碳氢键硼化(Figure 1c, right)。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

接下来，作者对吡啶的底物范围进行了研究(Table 1)，发现二甲氨基吡啶(DMAP)在1 mol%催化剂负载下快速发生α-单硼化，随后对产物4a，4b进行NMR、HRMS和单晶X-射线衍射表征。值得注意的是，4a具有二聚体结构(Figure 3)，从而进一步证明其α-硼化的区域选择性。

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类似地，其它的杂环取代的吡啶也以优异的产率得到相应的硼化产物4b、4c和4d，与其竞争的1,2-脱芳构化产率可以忽略不计。另外，没有保护的仲胺取代基的N−H也具有良好的兼容性，可以中等产率得到4e。尽管镧系金属中心具有亲氧性，但具有其它含氧取代基的吡啶也能以合理的选择性获得α-硼化产物4f和4i。此外，各种烷基取代和苯基取代的吡啶也可以良好的选择性生成单官能团化α-硼化产物4h、4j、4k、4n、4o。缺电子官能团如4、4′-联吡啶和4-CF₃也可以兼容，并产生具有良好选择性的α-硼化产物4l、4m。有趣的是，吡啶β-位(4p)有两个甲基时，得到了接近1:1的α-硼化和1,2-脱芳构化产物，而缺电子吖嗪如异喹啉/吡嗪仅产生1,2-脱芳构化产物4q和4r。当吡啶两个α-位均空置且使用1:1的吡啶/HBpin比率时，仅观察到单硼化产物，表明第二次硼化过程明显较慢或官能团硼化正在失活。

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同时还进行了制备级反应，作者将底物4a、4b进行脱硼氘化，随后以优异的产率获得α-氘化产物5a、5b；接着用2-碘噻吩与4a、4b进行Suzuki交叉偶联，得到了中等产率的6a、6b (Scheme 1)。

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作者考察了镧系原子的半径和底物的取代基对化学选择性的影响，在温和、直接的反应条件下研究了一系列广泛的三价Cp*₂LnCH(TMS)₂预催化剂，发现Ln³⁺半径大小会逐渐改变选择性，如Figure 2所示：大的La³⁺产生独有的1,2-脱芳构化产物，Nd³⁺提供几乎等量的脱芳构化和硼化产物，Sm³⁺主要产生硼化产物，并且小的Y³⁺和Lu³⁺发生专一性的α-C-H单硼化。金属离子效应的起因将在下面的理论部分进一步讨论。底物的空间位阻和电子效应对反应途径有显著影响。γ-位的供电子取代基（例如叔胺和烷氧基）以高选择性和可接受的优异产率适应α-硼化。此外，γ-位的大体积基团（例如叔丁基和苯基）似乎不会影响对α-硼化的选择性。γ-位的吸电子取代基和β-位或其他α-位的大位阻基团显著抑制硼化活性，并且通常会导致1,2-脱芳构化产物生成。类似地，其它缺电子的吖嗪杂环选择性地产生1,2-脱芳构化产物。取代基效应将在下面的理论部分进一步讨论。

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动力学研究表明，Cp*₂LuCH(TMS)₂的浓度在反应中是一级的，吡啶浓度在反应中是1/2级，HBpin浓度在反应中是-1/2级(Figure 4a-c)。根据艾琳方程和阿伦尼乌斯方程绘制DMAP和HBpin之间反应的Eyring和Arrhenius图(Figure 4d-f)。

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需要注意的是，NMR揭示了DMAP-HBpin加合物的形成，其分子结构已通过单晶X-射线衍射(Figure 5a)证实，表明HBpin作为抑制剂与吡啶结合后，抑制了吡啶与亲电金属中心结合。

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为了进一步探讨反应机理，作者以DMAP(4a)为模板底物，进行了DFT计算，定量研究了C-H硼化途径(Figure 6)。首先，DMAP与Cp*₂LuCH(TMS)₂预催化剂配位，形成中间体Ⅱ;经历TS1形成中间体η²-配合物III，其结构通过NMR和X-射线晶体证实(Figure 5b);另外，作者将化学计量Cp*₂LuCH(TMS)₂与DMAP在80^oC条件下反应6 h可定量产生配合物III，进一步支持了这一过程。配合物III形成后，经历TS2，HBpin与配合物III发生σ-键复分解，形成中间体IV；接下来，额外的DMAP与金属中心配位，使配合物IV和V之间建立解离平衡；随后中间体V发生氢转移，且产物发生二聚促进了中间体VI的形成；配合物VI经历TS3,消除H₂，回到中间体III进入新的循环。

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接下来通过DFT分析了Cp*₂Ln-催化中心的区域选择性，作者注意到C-H官能团化和1,2-脱芳构化具有相同的启动子(I in Figure 7)。发现Cp*₂Lu-具有较大的1,2-脱芳构化能垒，ΔG^‡ = 33.4 kcal mol^-1，比La大1.6 kcal mol^-1。

值得注意的是，1,2-脱芳构化途径(Figure 7, left)需要结合第二个吡啶分子，随着Ln³⁺半径的收缩，这是不利的。配合物的晶体结构和在自由体积轮廓中量化的空间效应也支持这一点(Figure 8a, b)。更具亲电性的Cp*₂Lu³⁺-可能促进了C-H硼化(Figure 8c, d)。有趣的是，Cp*₂Lu-可根据底物取代基的不同，选择性地催化吖嗪α-C-H单硼化和1,2-脱芳构化，而Cp*₂La-仅催化吖嗪1,2-脱芳构化。

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此外，作者也对取代基的影响进行了DFT分析(Figure 9)，ΔΔG^‡_{（1,2dearo-CHboryl）}从最富电子的底物DMAP(+5.2 kcal mol^-1)下降到吡啶(+2.6 kcal mol^-1)和最不富电子的4-（三氟甲基）吡啶(+0.3 kcal mol^-1)，可能是由于α-碳电子密度的增加，从而稳定了带正电的Bpin。另外，取代基的π-donation稳定了更多富含电子的α-硼化二聚体，而缺电子吡啶可能更容易受到邻近Cp*₂Ln-H物种对其α-位进行亲核进攻，产生1,2-脱芳构化产物。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）