В настоящей работе проведено теоретическое изучение механизма взаимодействия пропаргилхлорида 1 с 1,3-пропандитиолятом калия 2 в системе гидразингидрат-КОН, которое может приводить к образованию трех различных гетероциклических соединений: 2-метилен-1,4-дитиепана 3, 4,6,7,8-тетрагидро-1,5-дитиоцина 4 и 2-метил-6,7-дигидро-5Н-1,4-дитиепина 5, а также ациклического продукта 4,8-дитиаундекадиинa-1,10 6, полученного при замещении дитиолятом калия атомов хлора в двух молекулах хлористого пропаргила, который впоследствии изомеризуется в конечный продукт 7 - 4,8-дитиаундекадиин-2,9 (схема 1).

Оптимизацию геометрии всех локализованных стационарных точек, поиск переходных состояний и гармонический колебательный анализ выполняли при использовании программного пакета GAUSSIAN 09 [1] в рамках теории функционала электронной плотности методом B3LYP/6-311++G (d, p) с учетом эффекта растворителя (гидразингидрат) в рамках модели поляризуемого континуума IEFPCM с использованием экспериментальных данных (eps = 60.10 [2] и epsinf = 2.0498 [3]), также для учета специфических сольватационных эффектов в расчетное пространство были включены элементарные компоненты высокоосновной системы – молекула гидразина, молекула воды и две молекулы КОН.

Уточнение энергий стационарных точек осуществляли с помощью одноточечного вычисления методом CCSD(T)/6-31+G (d).

Поиск переходных состояний осуществляли методом релаксированного сканирования по координате реакции, а локализацию структур переходного состояния проводили по алгоритму Берни [4]. Для доказательства того, что полученные переходные состояния соответствуют направлениям данного взаимодействия, использовали процедуру следования по внутренней координате реакции методом Гонзалеза-Шлегеля [5, 6].

По результатам проведенных расчетов возможны два альтернативных пути реакции. Первый путь начинается с замещения атома хлора пропаргилхлорида на один из сульфид-анионов 1,3-пропандитиолята с образованием продукта монозамещения. Далее возможны четыре направления, три из которых связаны с трансформациями полученного монопроизводного, приводящие к образованию семи- и восьмичленных гетероциклических систем, а четвертое заключается в образовании ациклического соединения в результате взаимодействия продукта монозамещения со второй молекулой пропаргилхлорида.

Второй путь начинается с изомеризации исходного 3-хлорпропина-1 в 1-хлорпропадиен-1,2. Далее происходит нуклеофильное присоединение одной из тиолятных групп серы 1,3-пропандитиолята к sp-гибридизованному атому углерода хлорпропадиена и дальнейшая гетероциклизация полученного полупродукта в результате нуклеофильного замещения атома хлора на второй атом серы пропандитиолята с образованием дитиепанового цикла.

Рассмотрим первый путь данного взаимодействия. Анализ результатов расчета позволяет предложить следующий теоретический механизм первой стадии реакции хлористого пропаргила 1 с дитиолятом калия 2, представленный на схеме 2.

На начальной стадии реакции локализован предреакционный комплекс PRC-1, образование которого сопровождается понижением энергии Гиббса на ∆G = -5.9 ккал/моль (рис. 1).

Достаточно близкое расположение ионов калия компенсирует отрицательные заряды на атомах серы дитиолята. В образовавшемся комплексе PRC-1 молекула реагента 2 располагается практически напротив хлорсодержащего атома углерода соединения 1, предоставляя для нуклеофильной атаки один из тиолят-анионов. При этом в молекулах субстрата и реагента наблюдаются небольшие геометрические изменения (рис. 1). Так, в хлористом пропаргиле и в 1,3-дитиоляте увеличиваются соответствующие длины связей С-Cl (на 0.020 Å) и С-S^- (на 0.011 Å).

По мере протекания данной реакции, предреакционный комплекс PRC-1 превращается в промежуточное соединение IC-1 через переходное состояние TS-1 с небольшим барьером активации ∆G^‡ = 3.7 ккал/моль (рис. 1).

Локализованное переходное состояние TS-1 представляет собой пентакоординированный бипирамидальный комплекс, в котором происходит значительное сближение тиолят-аниона дитиолята 2 с насыщенным атомом углерода (на 2.704 Å) соединения 1 и одновременное отдаление, связанного с ним атома хлора на 0.825 Å (рис. 1). Это позволяет сделать вывод о бимолекулярном механизме нуклеофильного замещения атома хлора на атом серы (S_N2). Следует отметить, что уходящий анион хлора в дальнейшем стабилизируется одним из ионов калия. Переходное состояние TS-1 впоследствии превращается в первичный продукт IC-1, что приводит к понижению свободной энергии системы на ∆G = -38.5 ккал/моль (рис. 1).

Далее рассмотрены несколько направлений возможной трансформации продукта монозамещения IC-1.

Так, например, второй стадией изучаемой реакции может являться внутримолекулярная гетероциклизация интермедиата IC-1 за счет нуклеофильной атаки тиолят-анионов по интернальному α (направление I) или по терминальному β (направление II) атомам углерода ацетиленового фрагмента (схема 3). Как показывают расчетные данные, нуклеофильное присоединение аниона серы к α-углероду приводит к образованию дитиепана 3 через семицентровое переходное состояние TS-2 с активационным барьером ∆G^‡ = 14.6 ккал/моль, в случае атаки сульфид-аниона по β-углероду через восьмицентровое переходное состояние TS-3 образуется дитиоцин 4 с более высоким барьером активации ∆G^‡ = 39.1 ккал/моль, что может объясняться геометрией переходного состояния (exo-dig циклизция).

Рисунок 1 – Энергетический профиль реакции 3-хлорпропина-1 1 с 1,3-пропандитиолятом 2 в системе N₂H₄×H₂O-KOH, приводящей к образованию гетероциклов 3, 4, 5. Суммарная энергия реагирующих веществ 1 и 2 была принята за 0.0 ккал/моль.

Анализ геометрических параметров локализованных переходных состояний TS-2 и TS-3 (рис. 1) позволяет отметить значительное сближение тиолят-аниона с α- и β-углеродными атомами (на 3.878 Å, 4.546 Å, соответственно), при этом происходит увеличение длины тройной связи (на 0.070 Å, 0.031 Å, соответственно) и уменьшение валентного угла ацетиленового фрагмента ÐССС (на 41°, 25.8°, соответственно).

Стабилизация отрицательного заряда в обеих системах может обеспечиваться влиянием 3d-орбиталей соседней сульфидной серы в результате p-d-сопряжения. Следует отметить, что выигрыш в энергии при образовании 2-метилен-1,4-дитиепана 3 составляет ∆G = – 74.3 ккал/моль, а при образовании 4,6,7,8-тетрагидро-1,5-дитиоцина 4 ∆G = – 67.8 ккал/моль.

Сопоставляя величины энергетических барьеров двух направлений второй стадии реакции, можно видеть, что образование восьмичленного гетероцикла 4 в условиях данной реакции практически нереализуемо.

Схема 3

Еще одним путем возможного превращения интермедиата IC-1, представляющего собой производное терминального алкина, может быть ацетилен-алленовая перегруппировка, в результате которой происходит перенос атома водорода от sp³-гибридизованного атома углерода к sp-гибридизованному углероду с образованием более устойчивого (на 16 ккал/моль) кумулированного диенового производного IC-2 (схема 4).

Схема 4

Данная перегруппировка осуществляется через переходное состояние TS-4, в котором практически синхронно, с одной стороны, молекула воды протонирует sp-гибридизованный атом углерода, при этом расстояние Н∙∙∙СН значительно уменьшается (на 1.950 Å), а с другой стороны, происходит захват протона свободной гидроксильной группой у метиленового атома углерода, при этом длина связи С–Н заметно увеличивается (на 0.374 Å) (рис. 1). Процесс изомеризации интермедиата IC-1 в полупродукт IC-2 сопровождается энергетическим барьером ∆G^‡ = 14.6 ккал/моль. Далее промежуточное соединение IC-2 в результате внутримолекулярной нуклеофильной атаки второго сульфид-аниона по sp-гибридизованному атому углерода алленового фрагмента замыкается в дитиепиновый цикл 5 через циклическое семицентровое переходное состояние TS-5 с активационным барьером ∆G^‡ = 12.3 ккал/моль. Анализ геометрических параметров локализованного переходного состоянии TS-5 позволяет предположить его карбанионный характер, поскольку происходит существенное сближение тиолят-аниона с центральным кумуленовым атомом углерода на 1.987 Å и отрицательный заряд концентрируется на терминальном атоме углерода алленового фрагмента. Устойчивость карбанионного центра может быть обусловлена его сопряжением с двойной связью, а также резонансным влиянием соседней сульфидной серы, способной делокализовать электронную плотность. Следует отметить, что внешним фактором, стабилизирующем карбанион TS-5, является протонодонорное действие молекулы гидразина, атом водорода которой приближается к терминальному sp²-гибридизованному атому углерода на 1.529 Å, тем самым компенсируя отрицательный заряд. Впоследствии образуется один из основных продуктов реакции – 2-метил-6,7-дигидро-5Н-1,4-дитиепин 5, что приводит к понижению свободной энергии системы на ∆G = -77.5 ккал/моль.

Полученный на первой стадии реакции продукт монозамещения IC-1 также способен вступить во взаимодействие со второй молекулой хлористого пропаргила с образованием ациклического диинового производного 6 (схема 5).

Схема 5

При этом первоначально происходит образование предреакционного комплекса PRC-2, в результате чего свободная энергия системы понижается на ∆G = - 40.1 ккал/моль (рис. 2).

В образовавшемся комплексе PRC-2, как и в комплексе PRC-1, молекула реагента IC-1 располагается напротив sp³-гибридизованного атома углерода пропаргилхлорида, предоставив для нуклеофильной атаки тиолят-анион. По мере протекания реакции, предреакционный комплекс превращается в ациклическое соединение 6 через переходное состояние TS-6 с активационным барьером ∆G^‡ = 16.1 ккал/моль.

Рисунок 2 – Энергетический профиль реакции 3-хлорпропина-1  1 с 1,3-пропандитиолятом 2 в системе N₂H₄×H₂O-KOH, приводящей к образованию ациклических продуктов 6, 7. Суммарная энергия реагирующих веществ 1 и IC-1 была принята за 0.0 ккал/моль.

Анализ геометрических параметров локализованного переходного состояния TS-6 также указывает на бимолекулярный механизм нуклеофильного замещении атома хлора на атом серы. Так, в переходном состоянии TS-6 происходит сближение тиолят-аниона интермедиата IC-1 с sp³-гибридизованным атомом углерода пропаргилхлорида на 0.996 Å, а связанный с ним атом хлора, напротив, отдаляется на 0.404 Å, в результате чего атакуемый атом углерода становится пентакоординированным. Уходящий хлорид-анион впоследствии связывается одним из ионов калия в ионную пару. В дальнейшем переходное состояние TS-6 трансформируется в 4,8-дитиаундекадиин-1,10 6, что приводит к понижению свободной энергии системы на ∆G = -70.6 ккал/моль (рис. 2).

В условиях реакции соединение 6 претерпевает ацетилен-алленовую перегруппировку и изомеризацию тройной связи. Все стадии прототропной перегруппировки обратимы, и положение равновесия при данной температуре определяется стабильностью участвующих в нем изомеров. Алкин с неконцевой тройной связью 7 стабильнее терминального алкина 6 и аллена 6c, на рисунке 3 представлены их относительные энергии:

Рисунок 3 – Относительные энергии изомеров 6, 6с и 7, оптимизированных методом B3LYP/6-311++G (d,p).

На схеме 6 показана ацетилен-алленовая перегруппировка по одной из концевых тройных связей.  Активное участие в переносе протона для процессов 6а®6b и 6b®7  принимает одна из молекул воды, которая практически одновременно отщепляет протон от атома углерода С₃ и передает его атому углерода С₁. Так, в локализованном переходном состоянии TS-7 при захвате протона молекулой воды длина связи метиленового атома углерода С₃–Н заметно увеличивается (на 0.618 Å), а расстояние Н₂О∙∙∙Н значительно уменьшается (на 1.350 Å). С другой стороны, происходит протонирование sp-гибридизованного атома углерода, при этом существенно уменьшается расстояние Н₂О∙∙∙С₁ (на 2.023 Å).

Схема 6

В локализованном переходном состоянии TS-8 при подобном отщеплении протона молекулой воды длина связи С₃–Н увеличивается на 0.649 Å, а расстояние Н₂О∙∙∙Н уменьшается на 2.717 Å. Протонирование sp²-гибридизованного атома углерода приводит к уменьшению расстояния Н₂О∙∙∙С₁ на 1.380 Å. Катион гидроксония, образующийся в результате отрыва протона, стабилизируется находящимся поблизости анионом хлора. Переходные состояния TS-7 и TS-8 представляют собой мезомерные анионы, у которых заряд делокализован между первым и третьим атомами углерода. Барьеры превращений 6а®6b и 6b®7 составляют ∆G^‡ = 18.9 ккал/моль, ∆G^‡ = 18.3 ккал/моль, соответственно. Конечным продуктом изомеризации тройной связи является соединение 7 – 4,8-дитиаундекадиин-2,9.

Второй путь, по которому может идти данная реакция начинается с ацетилен-алленовой перегруппировки исходного 3-хлорпропина-1 1 в немного более устойчивый 1-хлорпропадиен-1,2 1а (схема 7).  Прототропная перегруппировка хлористого пропаргила протекает в условиях основного катализа через образование четырехцентрового переходного состояния TS-9 c барьером активации ∆G^‡ = 11.2 ккал/моль. Локализованное переходное состояние TS-9 представляет собой аллильный карбанион, который формируется после того, как анион ОН^- забирает протон у sp³-гибридизованного атома углерода с образованием молекулы воды, при этом длина связи НС_sp3–Н заметно увеличивается (на 1.113 Å), а расстояние ОН∙∙∙Н - напротив, существенно сокращается (на 0.972 Å).  Устойчивость образующемуся карбаниону придает делокализация электронов двойной связи.

Образующаяся молекула воды предоставляет один из своих атомов водорода sp-гибридизованному атому углерода, в результате чего происходит значительное уменьшение расстояния Н∙∙∙С_spН (на 1.649 Å). Далее при отрыве протона от молекулы воды переходное состояние TS-9 трансформируется в 1-хлорпропадиен-1,2 1а.

На начальной стадии взаимодействия 1,3-пропандитиолята калия 2 с диеновым производным 1а формируется предреакционный комплекс PRC-3 при этом свободная энергия Гиббса понижается на ∆G = –15.4 ккал/моль (схема 8, рис. 3). В образовавшемся комплексе PRC-3 молекула реагента 2 располагается напротив кумулированного атома углерода соединения 1а, предоставляя один из тиолят-анионов для нуклеофильной атаки. При этом в молекулах субстрата и реагента не наблюдается существенных геометрических изменений.

Схема 7

Схема 8

В результате нуклеофильного присоединения тиолят-аниона к электрофильному sp-гибридизованному атому углерода, предреакционный комплекс PRC-3 превращается в промежуточное соединение IC-3 через переходное состояние TS-10 с активационным барьером ∆G^‡ = 21.0 ккал/моль. В локализованном переходном состоянии TS-10 происходит значительное сближение тиолят-аниона с центральным атомом алленового фрагмента на 2.324 Å, и атом водорода от молекулы воды приближается к sp-гибридизованному атому углерода на 1.679 Å, тем самым компенсируя возникающий на нем отрицательный заряд (рис. 4).

Полученный интермедиат IC-3 представляет собой карбанион с отрицательным зарядом на насыщенном атоме углерода. Карбанионный центр стабилизирован примыкающим к нему электроноакцепторным атомом хлора, который оттягивает на себя электронную пару, а также внешним электростатическим взаимодействием катиона калия, находящимся в реакционной системе (рис. 4).

Далее карбанион IC-3 протонируется молекулой воды и превращается в полупродукт IC-4 через переходное состояние TS-11 с активационным барьером ∆G^‡ = 8.7 ккал/моль. В локализованном переходном состоянии TS-11 происходит значительное сближение водорода воды и отрицательно заряженного атома углерода на 1.914 Å, при этом длина связи НО-Н увеличивается на 0.060 Å.

В дальнейшем протекает внутримолекулярная циклизация интермедиата IC-4 в дитиепановый цикл 3 за счет нуклеофильной атаки второго тиолят-аниона по хлорсодержащему атому углерода через циклическое семицентровое переходное состояние TS-12 с активационным барьером ∆G^‡ = 12.6 ккал/моль. В локализованном переходном состоянии TS-12 происходит существенное уменьшение расстояния между тиолят-анионом и насыщенным атомом углерода (на 3.913 Å) и одновременно с этим, увеличивается связь С-Cl на 0.423 Å (рис. 4), что указывает на бимолекулярный механизм нуклеофильного замещения атома хлора на атом серы (S_N2). Впоследствии уходящий анион хлора связывается одним из ионов калия.

Рисунок 4 – Энергетический профиль реакции 1-хлорпропадиена-1,2 1a с 1,3-пропандитиолятом 2 в системе N₂H₄×H₂O-KOH, приводящий к образованию гетероцикла 3. Суммарная энергия реагирующих веществ 1а и 2 принята за 0.0 ккал/моль.

В заключении, следует отметить, что при экспериментальном анализе конечных продуктов реакции 2-метилен-1,4-дитиепан 3 не был обнаружен. Это может объясняться его дальнейшей изомеризацией в более устойчивый 2-метил-6,7-дигидро-5Н-1,4-дитиепин 5. При каталитическом содействии ионов среды происходит перенос атома водорода от sp³-гибридизованного атома углерода к sp²-гибридизованному углероду с одновременным перемещением кратной связи (схема 9).

Данная прототропная перегруппировка может осуществляться через циклическое четырехцентровое переходное состояние TS-13, представляющее собой аллильный карбанион, который формируется после захвата протона свободной гидроксильной группой с образованием молекулы воды, устойчивость карбаниону придает делокализация электронов двойной связи.

Далее, в результате репротонирования молекулы воды, атом водорода перемещается к виниловому атому углерода и образуется конечное соединение 5. Процесс изомеризации сопровождается энергетическим барьером ∆G^‡ = 20.1 ккал/моль. Характер продуктов, образующихся при проведении реакции 3-хлорпропина-1 с 1,3-пропандитиолятом калия, подтвержден экспериментально.

Схема 9

В настоящей работе проведено теоретическое изучение механизма взаимодействия пропаргилхлорида 1 с 1,3-пропандитиолятом калия 2 в системе гидразингидрат-КОН, которое может приводить к образованию трех различных гетероциклических соединений: 2-метилен-1,4-дитиепана 3, 4,6,7,8-тетрагидро-1,5-дитиоцина 4 и 2-метил-6,7-дигидро-5Н-1,4-дитиепина 5, а также ациклического продукта 4,8-дитиаундекадиинa-1,10 6, полученного при замещении дитиолятом калия атомов хлора в двух молекулах хлористого пропаргила, который впоследствии изомеризуется в конечный продукт 7 - 4,8-дитиаундекадиин-2,9 (схема 1).

Оптимизацию геометрии всех локализованных стационарных точек, поиск переходных состояний и гармонический колебательный анализ выполняли при использовании программного пакета GAUSSIAN 09 [1] в рамках теории функционала электронной плотности методом B3LYP/6-311++G (d, p) с учетом эффекта растворителя (гидразингидрат) в рамках модели поляризуемого континуума IEFPCM с использованием экспериментальных данных (eps = 60.10 [2] и epsinf = 2.0498 [3]), также для учета специфических сольватационных эффектов в расчетное пространство были включены элементарные компоненты высокоосновной системы – молекула гидразина, молекула воды и две молекулы КОН.

Уточнение энергий стационарных точек осуществляли с помощью одноточечного вычисления методом CCSD(T)/6-31+G (d).

Поиск переходных состояний осуществляли методом релаксированного сканирования по координате реакции, а локализацию структур переходного состояния проводили по алгоритму Берни [4]. Для доказательства того, что полученные переходные состояния соответствуют направлениям данного взаимодействия, использовали процедуру следования по внутренней координате реакции методом Гонзалеза-Шлегеля [5, 6].

По результатам проведенных расчетов возможны два альтернативных пути реакции. Первый путь начинается с замещения атома хлора пропаргилхлорида на один из сульфид-анионов 1,3-пропандитиолята с образованием продукта монозамещения. Далее возможны четыре направления, три из которых связаны с трансформациями полученного монопроизводного, приводящие к образованию семи- и восьмичленных гетероциклических систем, а четвертое заключается в образовании ациклического соединения в результате взаимодействия продукта монозамещения со второй молекулой пропаргилхлорида.

Второй путь начинается с изомеризации исходного 3-хлорпропина-1 в 1-хлорпропадиен-1,2. Далее происходит нуклеофильное присоединение одной из тиолятных групп серы 1,3-пропандитиолята к sp-гибридизованному атому углерода хлорпропадиена и дальнейшая гетероциклизация полученного полупродукта в результате нуклеофильного замещения атома хлора на второй атом серы пропандитиолята с образованием дитиепанового цикла.

Рассмотрим первый путь данного взаимодействия. Анализ результатов расчета позволяет предложить следующий теоретический механизм первой стадии реакции хлористого пропаргила 1 с дитиолятом калия 2, представленный на схеме 2.

На начальной стадии реакции локализован предреакционный комплекс PRC-1, образование которого сопровождается понижением энергии Гиббса на ∆G = -5.9 ккал/моль (рис. 1).

Достаточно близкое расположение ионов калия компенсирует отрицательные заряды на атомах серы дитиолята. В образовавшемся комплексе PRC-1 молекула реагента 2 располагается практически напротив хлорсодержащего атома углерода соединения 1, предоставляя для нуклеофильной атаки один из тиолят-анионов. При этом в молекулах субстрата и реагента наблюдаются небольшие геометрические изменения (рис. 1). Так, в хлористом пропаргиле и в 1,3-дитиоляте увеличиваются соответствующие длины связей С-Cl (на 0.020 Å) и С-S^- (на 0.011 Å).

По мере протекания данной реакции, предреакционный комплекс PRC-1 превращается в промежуточное соединение IC-1 через переходное состояние TS-1 с небольшим барьером активации ∆G^‡ = 3.7 ккал/моль (рис. 1).

Локализованное переходное состояние TS-1 представляет собой пентакоординированный бипирамидальный комплекс, в котором происходит значительное сближение тиолят-аниона дитиолята 2 с насыщенным атомом углерода (на 2.704 Å) соединения 1 и одновременное отдаление, связанного с ним атома хлора на 0.825 Å (рис. 1). Это позволяет сделать вывод о бимолекулярном механизме нуклеофильного замещения атома хлора на атом серы (S_N2). Следует отметить, что уходящий анион хлора в дальнейшем стабилизируется одним из ионов калия. Переходное состояние TS-1 впоследствии превращается в первичный продукт IC-1, что приводит к понижению свободной энергии системы на ∆G = -38.5 ккал/моль (рис. 1).

Далее рассмотрены несколько направлений возможной трансформации продукта монозамещения IC-1.

Так, например, второй стадией изучаемой реакции может являться внутримолекулярная гетероциклизация интермедиата IC-1 за счет нуклеофильной атаки тиолят-анионов по интернальному α (направление I) или по терминальному β (направление II) атомам углерода ацетиленового фрагмента (схема 3). Как показывают расчетные данные, нуклеофильное присоединение аниона серы к α-углероду приводит к образованию дитиепана 3 через семицентровое переходное состояние TS-2 с активационным барьером ∆G^‡ = 14.6 ккал/моль, в случае атаки сульфид-аниона по β-углероду через восьмицентровое переходное состояние TS-3 образуется дитиоцин 4 с более высоким барьером активации ∆G^‡ = 39.1 ккал/моль, что может объясняться геометрией переходного состояния (exo-dig циклизция).

Рисунок 1 – Энергетический профиль реакции 3-хлорпропина-1 1 с 1,3-пропандитиолятом 2 в системе N₂H₄×H₂O-KOH, приводящей к образованию гетероциклов 3, 4, 5. Суммарная энергия реагирующих веществ 1 и 2 была принята за 0.0 ккал/моль.

Анализ геометрических параметров локализованных переходных состояний TS-2 и TS-3 (рис. 1) позволяет отметить значительное сближение тиолят-аниона с α- и β-углеродными атомами (на 3.878 Å, 4.546 Å, соответственно), при этом происходит увеличение длины тройной связи (на 0.070 Å, 0.031 Å, соответственно) и уменьшение валентного угла ацетиленового фрагмента ÐССС (на 41°, 25.8°, соответственно).

Стабилизация отрицательного заряда в обеих системах может обеспечиваться влиянием 3d-орбиталей соседней сульфидной серы в результате p-d-сопряжения. Следует отметить, что выигрыш в энергии при образовании 2-метилен-1,4-дитиепана 3 составляет ∆G = – 74.3 ккал/моль, а при образовании 4,6,7,8-тетрагидро-1,5-дитиоцина 4 ∆G = – 67.8 ккал/моль.

Сопоставляя величины энергетических барьеров двух направлений второй стадии реакции, можно видеть, что образование восьмичленного гетероцикла 4 в условиях данной реакции практически нереализуемо.

Схема 3

Еще одним путем возможного превращения интермедиата IC-1, представляющего собой производное терминального алкина, может быть ацетилен-алленовая перегруппировка, в результате которой происходит перенос атома водорода от sp³-гибридизованного атома углерода к sp-гибридизованному углероду с образованием более устойчивого (на 16 ккал/моль) кумулированного диенового производного IC-2 (схема 4).

Схема 4

Данная перегруппировка осуществляется через переходное состояние TS-4, в котором практически синхронно, с одной стороны, молекула воды протонирует sp-гибридизованный атом углерода, при этом расстояние Н∙∙∙СН значительно уменьшается (на 1.950 Å), а с другой стороны, происходит захват протона свободной гидроксильной группой у метиленового атома углерода, при этом длина связи С–Н заметно увеличивается (на 0.374 Å) (рис. 1). Процесс изомеризации интермедиата IC-1 в полупродукт IC-2 сопровождается энергетическим барьером ∆G^‡ = 14.6 ккал/моль. Далее промежуточное соединение IC-2 в результате внутримолекулярной нуклеофильной атаки второго сульфид-аниона по sp-гибридизованному атому углерода алленового фрагмента замыкается в дитиепиновый цикл 5 через циклическое семицентровое переходное состояние TS-5 с активационным барьером ∆G^‡ = 12.3 ккал/моль. Анализ геометрических параметров локализованного переходного состоянии TS-5 позволяет предположить его карбанионный характер, поскольку происходит существенное сближение тиолят-аниона с центральным кумуленовым атомом углерода на 1.987 Å и отрицательный заряд концентрируется на терминальном атоме углерода алленового фрагмента. Устойчивость карбанионного центра может быть обусловлена его сопряжением с двойной связью, а также резонансным влиянием соседней сульфидной серы, способной делокализовать электронную плотность. Следует отметить, что внешним фактором, стабилизирующем карбанион TS-5, является протонодонорное действие молекулы гидразина, атом водорода которой приближается к терминальному sp²-гибридизованному атому углерода на 1.529 Å, тем самым компенсируя отрицательный заряд. Впоследствии образуется один из основных продуктов реакции – 2-метил-6,7-дигидро-5Н-1,4-дитиепин 5, что приводит к понижению свободной энергии системы на ∆G = -77.5 ккал/моль.

Полученный на первой стадии реакции продукт монозамещения IC-1 также способен вступить во взаимодействие со второй молекулой хлористого пропаргила с образованием ациклического диинового производного 6 (схема 5).

Схема 5

При этом первоначально происходит образование предреакционного комплекса PRC-2, в результате чего свободная энергия системы понижается на ∆G = - 40.1 ккал/моль (рис. 2).

В образовавшемся комплексе PRC-2, как и в комплексе PRC-1, молекула реагента IC-1 располагается напротив sp³-гибридизованного атома углерода пропаргилхлорида, предоставив для нуклеофильной атаки тиолят-анион. По мере протекания реакции, предреакционный комплекс превращается в ациклическое соединение 6 через переходное состояние TS-6 с активационным барьером ∆G^‡ = 16.1 ккал/моль.

Рисунок 2 – Энергетический профиль реакции 3-хлорпропина-1  1 с 1,3-пропандитиолятом 2 в системе N₂H₄×H₂O-KOH, приводящей к образованию ациклических продуктов 6, 7. Суммарная энергия реагирующих веществ 1 и IC-1 была принята за 0.0 ккал/моль.

Анализ геометрических параметров локализованного переходного состояния TS-6 также указывает на бимолекулярный механизм нуклеофильного замещении атома хлора на атом серы. Так, в переходном состоянии TS-6 происходит сближение тиолят-аниона интермедиата IC-1 с sp³-гибридизованным атомом углерода пропаргилхлорида на 0.996 Å, а связанный с ним атом хлора, напротив, отдаляется на 0.404 Å, в результате чего атакуемый атом углерода становится пентакоординированным. Уходящий хлорид-анион впоследствии связывается одним из ионов калия в ионную пару. В дальнейшем переходное состояние TS-6 трансформируется в 4,8-дитиаундекадиин-1,10 6, что приводит к понижению свободной энергии системы на ∆G = -70.6 ккал/моль (рис. 2).

В условиях реакции соединение 6 претерпевает ацетилен-алленовую перегруппировку и изомеризацию тройной связи. Все стадии прототропной перегруппировки обратимы, и положение равновесия при данной температуре определяется стабильностью участвующих в нем изомеров. Алкин с неконцевой тройной связью 7 стабильнее терминального алкина 6 и аллена 6c, на рисунке 3 представлены их относительные энергии:

Рисунок 3 – Относительные энергии изомеров 6, 6с и 7, оптимизированных методом B3LYP/6-311++G (d,p).

На схеме 6 показана ацетилен-алленовая перегруппировка по одной из концевых тройных связей.  Активное участие в переносе протона для процессов 6а®6b и 6b®7  принимает одна из молекул воды, которая практически одновременно отщепляет протон от атома углерода С₃ и передает его атому углерода С₁. Так, в локализованном переходном состоянии TS-7 при захвате протона молекулой воды длина связи метиленового атома углерода С₃–Н заметно увеличивается (на 0.618 Å), а расстояние Н₂О∙∙∙Н значительно уменьшается (на 1.350 Å). С другой стороны, происходит протонирование sp-гибридизованного атома углерода, при этом существенно уменьшается расстояние Н₂О∙∙∙С₁ (на 2.023 Å).

Схема 6

В локализованном переходном состоянии TS-8 при подобном отщеплении протона молекулой воды длина связи С₃–Н увеличивается на 0.649 Å, а расстояние Н₂О∙∙∙Н уменьшается на 2.717 Å. Протонирование sp²-гибридизованного атома углерода приводит к уменьшению расстояния Н₂О∙∙∙С₁ на 1.380 Å. Катион гидроксония, образующийся в результате отрыва протона, стабилизируется находящимся поблизости анионом хлора. Переходные состояния TS-7 и TS-8 представляют собой мезомерные анионы, у которых заряд делокализован между первым и третьим атомами углерода. Барьеры превращений 6а®6b и 6b®7 составляют ∆G^‡ = 18.9 ккал/моль, ∆G^‡ = 18.3 ккал/моль, соответственно. Конечным продуктом изомеризации тройной связи является соединение 7 – 4,8-дитиаундекадиин-2,9.

Второй путь, по которому может идти данная реакция начинается с ацетилен-алленовой перегруппировки исходного 3-хлорпропина-1 1 в немного более устойчивый 1-хлорпропадиен-1,2 1а (схема 7).  Прототропная перегруппировка хлористого пропаргила протекает в условиях основного катализа через образование четырехцентрового переходного состояния TS-9 c барьером активации ∆G^‡ = 11.2 ккал/моль. Локализованное переходное состояние TS-9 представляет собой аллильный карбанион, который формируется после того, как анион ОН^- забирает протон у sp³-гибридизованного атома углерода с образованием молекулы воды, при этом длина связи НС_sp3–Н заметно увеличивается (на 1.113 Å), а расстояние ОН∙∙∙Н - напротив, существенно сокращается (на 0.972 Å).  Устойчивость образующемуся карбаниону придает делокализация электронов двойной связи.

Образующаяся молекула воды предоставляет один из своих атомов водорода sp-гибридизованному атому углерода, в результате чего происходит значительное уменьшение расстояния Н∙∙∙С_spН (на 1.649 Å). Далее при отрыве протона от молекулы воды переходное состояние TS-9 трансформируется в 1-хлорпропадиен-1,2 1а.

На начальной стадии взаимодействия 1,3-пропандитиолята калия 2 с диеновым производным 1а формируется предреакционный комплекс PRC-3 при этом свободная энергия Гиббса понижается на ∆G = –15.4 ккал/моль (схема 8, рис. 3). В образовавшемся комплексе PRC-3 молекула реагента 2 располагается напротив кумулированного атома углерода соединения 1а, предоставляя один из тиолят-анионов для нуклеофильной атаки. При этом в молекулах субстрата и реагента не наблюдается существенных геометрических изменений.

Схема 7

Схема 8

В результате нуклеофильного присоединения тиолят-аниона к электрофильному sp-гибридизованному атому углерода, предреакционный комплекс PRC-3 превращается в промежуточное соединение IC-3 через переходное состояние TS-10 с активационным барьером ∆G^‡ = 21.0 ккал/моль. В локализованном переходном состоянии TS-10 происходит значительное сближение тиолят-аниона с центральным атомом алленового фрагмента на 2.324 Å, и атом водорода от молекулы воды приближается к sp-гибридизованному атому углерода на 1.679 Å, тем самым компенсируя возникающий на нем отрицательный заряд (рис. 4).

Полученный интермедиат IC-3 представляет собой карбанион с отрицательным зарядом на насыщенном атоме углерода. Карбанионный центр стабилизирован примыкающим к нему электроноакцепторным атомом хлора, который оттягивает на себя электронную пару, а также внешним электростатическим взаимодействием катиона калия, находящимся в реакционной системе (рис. 4).

Далее карбанион IC-3 протонируется молекулой воды и превращается в полупродукт IC-4 через переходное состояние TS-11 с активационным барьером ∆G^‡ = 8.7 ккал/моль. В локализованном переходном состоянии TS-11 происходит значительное сближение водорода воды и отрицательно заряженного атома углерода на 1.914 Å, при этом длина связи НО-Н увеличивается на 0.060 Å.

В дальнейшем протекает внутримолекулярная циклизация интермедиата IC-4 в дитиепановый цикл 3 за счет нуклеофильной атаки второго тиолят-аниона по хлорсодержащему атому углерода через циклическое семицентровое переходное состояние TS-12 с активационным барьером ∆G^‡ = 12.6 ккал/моль. В локализованном переходном состоянии TS-12 происходит существенное уменьшение расстояния между тиолят-анионом и насыщенным атомом углерода (на 3.913 Å) и одновременно с этим, увеличивается связь С-Cl на 0.423 Å (рис. 4), что указывает на бимолекулярный механизм нуклеофильного замещения атома хлора на атом серы (S_N2). Впоследствии уходящий анион хлора связывается одним из ионов калия.

Рисунок 4 – Энергетический профиль реакции 1-хлорпропадиена-1,2 1a с 1,3-пропандитиолятом 2 в системе N₂H₄×H₂O-KOH, приводящий к образованию гетероцикла 3. Суммарная энергия реагирующих веществ 1а и 2 принята за 0.0 ккал/моль.

В заключении, следует отметить, что при экспериментальном анализе конечных продуктов реакции 2-метилен-1,4-дитиепан 3 не был обнаружен. Это может объясняться его дальнейшей изомеризацией в более устойчивый 2-метил-6,7-дигидро-5Н-1,4-дитиепин 5. При каталитическом содействии ионов среды происходит перенос атома водорода от sp³-гибридизованного атома углерода к sp²-гибридизованному углероду с одновременным перемещением кратной связи (схема 9).

Данная прототропная перегруппировка может осуществляться через циклическое четырехцентровое переходное состояние TS-13, представляющее собой аллильный карбанион, который формируется после захвата протона свободной гидроксильной группой с образованием молекулы воды, устойчивость карбаниону придает делокализация электронов двойной связи.

Далее, в результате репротонирования молекулы воды, атом водорода перемещается к виниловому атому углерода и образуется конечное соединение 5. Процесс изомеризации сопровождается энергетическим барьером ∆G^‡ = 20.1 ккал/моль. Характер продуктов, образующихся при проведении реакции 3-хлорпропина-1 с 1,3-пропандитиолятом калия, подтвержден экспериментально.

Схема 9