C(sp³)−H鍵的斷裂,在有機金屬化學和催化反應中扮演著核心角色,這個過程涉及C−H鍵與金屬中心的相互作用,並在最終形成新的金屬−烷基鍵。在鎳和鈀催化的C(sp³)−H官能化反應中,C−H鍵的活化通常是整個反應的速率決定步驟,而這個步驟會經過一個包含C−H⋯M agostic交互作用(即三中心雙電子M−H−C鍵)的瞬態中間體,再透過協同金屬化去質子化(CMD,concerted-metalation deprotonation)機制進行反應。然而,由於現有的合成方法通常是在反應溶液中原位生成活性物種,科學家很難量化在形成M−C鍵之前,C−H鍵到底被削弱了多少。若能透過測量酸度(pKₐ)和鍵解離自由能(BDFE,bond dissociation free energy)來獲得熱力學數據,也許可以幫助化學家設計出更高效的C(sp³)−H官能化催化劑。相較之下,科學界對於C(sp²)−H⋯M agostic交互作用已有許多研究,例如先前的研究已經估算出配位的PdII(η²−arene)的C−H酸度(pKₐMeCN約在3到6之間),也有研究團隊成功分離出類似Wheland中間體的C(sp²)−H agostic pincer錯合物,PC(sp²)P。然而,對於C(sp³)−H⋯M交互作用的研究卻相當稀少,主要是因為C(sp³)−H agostic錯合物容易發生快速的α−H或β−H消除反應,生成碳烯或烯烴產物。因此,選擇合適的配體骨架相當重要,若能使用剛性且立體位阻大的金剛烷配體骨架,也許就能合成出動力學穩定的分子。
近日,美國羅格斯大學紐瓦克分校的研究團隊,成功利用金剛烷配體骨架穩定了NiII−(C(sp³)−H) agostic交互作用,並成功測得了C(sp³)−H agostic鍵的酸度和解離自由能。研究人員將1,3-雙(二環己基甲基磷基)金剛烷配體(PCH₂P)與NiBr₂(PPh₃)₂反應,成功合成出淺黃色的[Ni−CH]錯合物。當[Ni−CH]與Jutzi酸在−40°C的PhF中反應時,溶液顏色從淺黃色轉變為深紫色,並生成了首例「雙agostic」NiII(κ²−CH₂)錯合物([Ni−CH₂]⁺),其中金剛烷的亞甲基透過兩個C(sp³)−H基團對稱地與Ni交互作用。X射線晶體學數據顯示,兩個Ni−H鍵長相當接近(1.69和1.66 Å),且C−H−Ni角度也很類似(100.1°和103.9°)。在熱力學測量方面,研究人員在1,2-二氯乙烷(DCE)中進行酸鹼平衡實驗,發現[Ni−CH₂]⁺的pKₐTHF為4.2±0.7,相較於金剛烷本身(pKₐDMSO≅54),C−H鍵的酸度提高了數十個數量級。結合循環伏安法測得的NiIII/II氧化還原電位(E°=+0.155 V),研究團隊計算出[Ni−CH₂]⁺的BDFETHF(C−H)約為70±2 kcal/mol,相較於金剛烷的C−H鍵解離能(約100±3 kcal/mol),顯示配位使C−H鍵弱化了約30 kcal/mol。