The mechanism of cobalt(II) porphyrin-catalyzed benzylic C–H bond amination of ethylbenzene, toluene, and 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene (tetralin) using a series of different organic azides [N3C(O)OMe, N3SO2Ph, N3C(O)Ph, and N3P(O)(OMe)2] as nitrene sources was studied by means of density functional theory (DFT) calculations and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. The DFT computational study revealed a stepwise radical process involving coordination of the azide to the metal center followed by elimination of dinitrogen to produce unusual "nitrene radical" intermediates (por)CoIII–N•Y (4) [Y = −C(O)OMe, −SO2Ph, −C(O)Ph, −P(O)(OMe)2]. Formation of these nitrene radical ligand complexes is exothermic, predicting that the nitrene radical ligand complexes should be detectable species in the absence of other reacting substrates. In good agreement with the DFT calculations, isotropic solution EPR signals with g values characteristic of ligand-based radicals were detected experimentally from (por)Co complexes in the presence of excess organic azide in benzene. They are best described as nitrene radical anion ligand complexes (por)CoIII–N•Y, which have their unpaired spin density located almost entirely on the nitrogen atom of the nitrene moiety. These key cobalt(III)–nitrene radical intermediates readily abstract a hydrogen atom from a benzylic position of the organic substrate to form the intermediate species 5, which are close-contact pairs of the thus-formed organic radicals R′• and the cobalt(III)–amido complexes (por)CoIII–NHY ({R′•···(por)CoIII–NHY}). These close-contact pairs readily collapse in a virtually barrierless fashion (via transition state TS3) to produce the cobalt(II)–amine complexes (por)CoII–NHYR′, which dissociate to afford the desired amine products NHYR′ (6) with regeneration of the (por)Co catalyst. Alternatively, the close-contact pairs {R′•···(por)CoIII–NHY} 5 may undergo β-hydrogen-atom abstraction from the benzylic radical R′• by (por)CoIII–NHY (via TS4) to form the corresponding olefin and (por)CoIII–NH2Y, which dissociates to give Y–NH2. This process for the formation of olefin and Y–NH2 byproducts is also essentially barrierless and should compete with the collapse of 5 via TS3 to form the desired amine product. Alternative processes leading to the formation of side products and the influence of different porphyrin ligands with varying electronic properties on the catalytic activity of the cobalt(II) complexes have also been investigated.

New and conclusive evidence has been obtained for the existence of cobalt(III)-carbene radicals that have been previously proposed as the key intermediates in the underlying mechanism of metalloradical cyclopropanation by cobalt(II) complexes of porphyrins. In the absence of olefin substrates, reaction of [Co(TPP)] with ethyl styryldiazoacetate was found to generate the corresponding cobalt(III)-vinylcarbene radical that subsequently dimerizes via its γ-radical allylic resonance form to afford a dinuclear cobalt(III) porphyrin complex. X-ray structural analysis reveals a highly compact dimeric structure wherein the two metalloporphyrin units are arranged in a face-to-face fashion through a tetrasubstituted 1,5-hexadiene C(6)-bridge between the two Co(III) centers. The γ-radical allylic resonance form of the cobalt(III)-vinylcarbene radical intermediate could be effectively trapped by TEMPO via C-O bond formation to give a mononuclear cobalt(III) complex instead of the dimeric product. The allylic radical nature and related reactivity profile of the cobalt(III)-carbene radical, including its inability to abstract hydrogen atoms from toluene solvent, were established by DFT calculations.

To fully characterize the CoIII–'nitrene radical' species that are proposed as intermediates in nitrene transfer reactions mediated by cobalt(II) porphyrins, different combinations of cobalt(II) complexes of porphyrins and nitrene transfer reagents were combined, and the generated species were studied using EPR, UV–vis, IR, VCD, UHR-ESI-MS, and XANES/XAFS measurements. Reactions of cobalt(II) porphyrins 1P1 (P1 = meso-tetraphenylporphyrin (TPP)) and 1P2 (P2 = 3,5-DitBu-ChenPhyrin) with organic azides 2Ns (NsN3), 2Ts (TsN3), and 2Troc (TrocN3) led to the formation of mono-nitrene species 3P1Ns, 3P2Ts, and 3P2Troc, respectively, which are best described as [CoIII(por)(NR″•–)] nitrene radicals (imidyl radicals) resulting from single electron transfer from the cobalt(II) porphyrin to the 'nitrene' moiety (Ns: R″ = −SO2-p-C6H5NO2; Ts: R″ = −SO2C6H6; Troc: R″ = −C(O)OCH2CCl3). Remarkably, the reaction of 1P1 with N-nosyl iminoiodane (PhI═NNs) 4Ns led to the formation of a bis-nitrene species 5P1Ns. This species is best described as a triple-radical complex [(por•–)CoIII(NR″•–)2] containing three ligand-centered unpaired electrons: two nitrene radicals (NR″•–) and one oxidized porphyrin radical (por•–). Thus, the formation of the second nitrene radical involves another intramolecular one-electron transfer to the "nitrene" moiety, but now from the porphyrin ring instead of the metal center. Interestingly, this bis-nitrene species is observed only on reacting 4Ns with 1P1. Reaction of the more bulky 1P2 with 4Ns results again in formation of mainly mono-nitrene species 3P2Ns according to EPR and ESI-MS spectroscopic studies. The mono- and bis-nitrene species were initially expected to be five- and six-coordinate species, respectively, but XANES data revealed that both mono- and bis-nitrene species are six-coordinate Oh species. The nature of the sixth ligand bound to cobalt(III) in the mono-nitrene case remains elusive, but some plausible candidates are NH3, NH2–, NsNH–, and OH–; NsNH– being the most plausible. Conversion of mono-nitrene species 3P1Ns into bis-nitrene species 5P1Ns upon reaction with 4Ns was demonstrated. Solutions containing 3P1Ns and 5P1Ns proved to be still active in catalytic aziridination of styrene, consistent with their proposed key involvement in nitrene transfer reactions mediated by cobalt(II) porphyrins.

Isotopically labeled alkanes play a crucial role in organic and pharmaceutical chemistry. While some deuterated methylating agents are readily available, the limited accessibility of other deuteroalkyl reagents has hindered the synthesis of corresponding products. In this study, we introduce a nickel-catalyzed system that facilitates the synthesis of various deuterium-labeled alkanes through the hydrodeuteroalkylation of d2-labeled alkyl TT salts with unactivated alkenes. Diverging from traditional deuterated alkyl reagents, alkyl thianthrenium (TT) salts can effectively and selectively introduce deuterium at α position of alkyl chains using D

Abstract Deuterium labeling compounds play a crucial role in organic and pharmaceutical chemistry. The synthesis of such compounds typically involves deuterated building blocks, allowing for the incorporation of deuterium atoms and functional groups into a target molecule in a single step. Unfortunately, the limited availability of synthetic approaches to deuterated synthons has impeded progress in this field. Here, we present an approach utilizing alkyl-substituted thianthrenium salts that efficiently and selectively introduce deuterium at the α position of alkyl chains through a pH-dependent HIE process, using D 2 O as the deuterium source. The resulting α-deuterated alkyl thianthrenium salts, which bear two deuterium atoms, exhibit excellent selectivity and deuterium incorporation in electrophilic substitution reactions. Through in situ formation of isotopically labelled alkyl halides, these thianthrenium salts demonstrate excellent compatibility in a series of metallaphotoredox cross-electrophile coupling with (hetero)aryl, alkenyl, alkyl bromides, and other alkyl thianthrenium salts. Our technique allows for a wide range of substrates, high deuterium incorporation, and precise control over the site of deuterium insertion within a molecule such as the benzyl position, allylic position, or any alkyl chain in between, as well as neighboring heteroatoms. This makes it invaluable for synthesizing various deuterium-labeled compounds, especially those with pharmaceutical significance.

Abstract While selective defunctionalizations are valuable in organic synthesis, hydrodeamination of primary amines poses challenges. Deuterodeamination, analogous to hydrodeamination, presents even greater difficulties due to its frequently slower deuteration rate, interference by hydrogenation and constraints in deuterated sources. This study introduces a reliable, robust, and scalable hydro- and deuterodeamination method capable of handling various primary amines. Defined by its mild reaction conditions, rapid completion, simplified purification facilitated by water-soluble byproducts, the method leverages deuterium oxide as a deuterium source and employs commercialized O-diphenylphosphinylhydroxylamine for deamination. Applied to a diverse range of biologically active molecules, it has consistently achieved high yields and efficient deuterium incorporation. By synergizing with site-selective C–H functionalization of primary aliphatic amines, our method reveals synthetic strategies utilizing nitrogen atom as a traceless directing group, encompassing deaminative alkylation, 1,1-deuteroalkylation, 1,1-dialkylation, 1,1,1-deuterodialkylation, C–H arylation, and 1,3-deuteroarylation. Emphasizing this innovation, the processes of deaminative degree-controlled deuteration have been developed.