Synthesis and crystal structure of perhydro-1,4-benzoxazino[2,3-n]phenoxazine

Article abstract of DOI:10.1515/znb-1997-0706

The oxidation of trans-2-aminocyclohexanol with nitrobenzene in the presence of catalytic amounts of iron inter alia yields perhydro-1,4-benzoxazino[2,3-n]phenoxazine (1). This compound has been characterized analytically, spectroscopically and by X-ray diffraction. It is postulated that the oxidation of the 2-aminoalcohol leads to the intermediate formation of a 1,2-dione. The direct synthesis of 1 from trans-2-aminocyclohexanol and 1,2-cyclohexandione supports this hypothesis.

Full text of DOI:10.1515/znb-1997-0706

Synthese und Kristallstruktur von
Perhydro-l,4-benzoxazino[2,3-n]phenoxazin
Synthesis and Crystal Structure of Perhydro-l,4-benzoxazino[2,3-n]phenoxazine
Wolfgang Kläuia *, Susanne Schoger2, Martin Niegerb
a Universität Düsseldorf, Institut für Anorganische Chemie und Strukturchemie,
Universitätsstr. 1, D-40225 Düsseldorf
b Universität Bonn, Institut für Anorganische Chemie der Universität Bonn,
Gerhard-Domagk-Str. 1, D-53121 Bonn
Z. Naturforsch. 52 b, 801-804 (1997); eingegangen am 14. Oktober 1996
Nitrobenzene, Reduction, Aniline, 2-Aminoalcohols, Catalysis
The oxidation of fra«s-2-aminocyclohexanol with nitrobenzene in the presence of catalytic
amounts of iron inter alia yields perhydro-l,4-benzoxazino[2,3-n]phenoxazine (1). This com-
pound has been characterized analytically, spectroscopically and by X-ray diffraction. It is
postulated that the oxidation of the 2-aminoalcohol leads to the intermediate formation of a
1,2-dione. The direct synthesis of 1 from trans-2-aminocyclohexanol and 1,2-cyclohexandione
supports this hypothesis.
Für die Einführung einer Nitrogruppe in or- 2-Aminocyclohexanol verläuft die Reduktion unter
ganische Verbindungen existieren eine Reihe von den gleichen Bedingungen wie mit unsubstituier-
tem Aminoethanol. Unter den Reaktionsprodukten
im teerartigen Rückstand haben wir jetzt ein bis-
her nicht bekanntes Perhydrobenzoxazinophenoxa-
z.T. grosstechnischen Verfahren. Nitroverbindun-
gen dienen als leicht zugängliche Zwischenproduk-
te hauptsächlich für die Herstellung von zahlrei-
chen anderen Verbindungsklassen. Die Reduktion zin isoliert und charakterisiert:
ist der technisch wichtigste Weg zu aromatischen
Aminen. Wir beschäftigen uns mit der Übergangs-
metallkatalysierten Reduktion von Nitroverbindun-
gen durch 2-Aminoalkohole. Man kann z. B. Ni-
trobenzol oder Nitropropan mit überschüssigem 2-
Aminoethanol in Gegenwart von ppm-Mengen von
+PhNO?, Fe2* kat.
-PhNH2, NH3, H20
Damit glauben wirjetzt das Reduktionsvermögen
Eisen(II)salzen in quantitativer Ausbeute zu Anilin
bzw. Aminopropan reduzieren. Die Oxidationspro-
dukte von Aminoethanol bilden einen schwarzen
viskosen Rückstand, dessen Zusammensetzung wir
noch nicht näher bestimmen konnten. Insbesonde-
re blieb bisher die Frage unbeantwortet, ob bei der
Oxidation ein C-C-Bindungsbruch stattfindet und
wieweit die Kohlenstoffatome oxidiert werden. Zur
Klärung dieser Reaktion, die unseres Wissens in
der Literatur bisher nicht beschrieben ist, haben wir
eine Reihe substituierter Aminoethanole als Reduk-
tionsmittel mit Nitrobenzol umgesetzt. Wir fanden,
daß die Reduktion ungehindert verläuft, solange je-
des der zwei Kohlenstoffatome in Aminoethanol
mindestens ein Wasserstoffatom trägt. Mit trans-
von Aminoethanol zu verstehen und den Weg der
beiden Kohlenstoffatome in Aminoethanol verfol-
gen zu können. Wir postulieren, daß der 2-Amino-
alkohol in der Fe(II)-katalysierten Reaktion inter-
mediär zu einem a-Ketoimin RC(NH)C(0)R' oxi-
diert wird, das rasch zu einem a-Diketon hydroly-
siert und sich dann mit überschüssigem Aminoal-
kohol als Aminoketal stabilisiert. Zur Bestätigung
haben wir 1,2-Cyclohexandion gezielt mit trans-2-
Aminocyclohexanol umgesetzt, und dabei das iden-
tische Perhydrobenzoxazinophenoxazin (1) isoliert:
a:"CC
* Sonderdruckanforderungen an Prof. Dr. W. Kläui.
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802
W. Kläui et al. • Synthese und Kristallstruktur von Perhydro-l,4-benzoxazino[2,3-n]phenoxazin
Abb. 1. Molekülstruktur von 1 [1].
Weil die beiden denkbaren pentacyclischen Iso-
meren 1 und 1 '
l,4-Oxazino[3,2-bl-l,4-oxazine enthalten den
Grundkörper des hier beschriebenen Phenoxazinde-
rivates. Substituierte Vertreter dieser Verbindungs-
klasse sind durch Aminomercurierung von Propar-
gylalkoholen zugänglich [3]. Verbindungen dieses
Typs entstehen auch neben einer Reihe anderer
Produkte bei der Umsetzung von a-Diketonen mit
a-Aminoalkoholen [4] und bei der Reaktion von
Glyoxal mit N-substituierten Aminoalkoholen [5].
Den unsubstiuierten Grundkörper, der unseres Wis-
sens bisher unbekannt ist, haben wir aus Glyoxal
und 2-Aminoethanol nicht herstellen können. Statt
dessen entsteht eine braune, viskose Lösung - ähn-
lich dem schwarzen Rückstand, der bei der Reduk-
tion von Nitrobenzol mit 2-Aminoethanol nach Ab-
destillieren des überschüssigen 2-Aminoethanols
und des gebildeten Anilins zurückbleibt. Dennoch
ist die Identifizierung der Titelverbindung und die
unabhängige Synthese ein gewichtiges Indiz dafür,
dass auch das unsubstituierte 2-Aminoethanol von
Nitrobenzol zu einer a-Dicarbonylverbindung oxi-
diert werden könnte. Über die Verwendung von 2-
Aminoethanol als Reduktionsmittel in der präpara-
tiven Chemie ist nur wenig bekannt. Der hier vorge-
schlagene Verlaufist unseres Wissens bisher nie dis-
kutiert worden. Bei mechanistischen Untersuchun-
gen zur Oxidation von 2-Aminoethanol durch Sil-
ber(II) wurde die Spaltung der C-C-Bindung beob-
achtet [6 ]. Bei der Reduktion von Nitroverbindun-
gen haben wir keine Hinweise für diesen Prozess
gefunden.
1‘
sich NMR-spektroskopisch nicht sicher unterschei-
den ließen, wurde eine Einkristallstrukturbestim-
mung durchgeführt. In Abb. 1 ist die Struktur der
Verbindung im Festkörper gezeigt.
Es handelt sich um das Isomere 1. Alle Sechsrin-
ge nehmen eine Sesselkonformation ein, die Bin-
dungslängen und die Winkel sind unauffällig. Das
Molekül ist chiral, es besitzt die idealisierte Punkt-
symmetrie C2. In Abb. 1 ist das Enantiomere ge-
zeigt, in dem alle 6 Stereogenen Kohlenstoffzentren
die R-Konfiguration besitzen*. In der Elementarzel-
le kommen beide Enantiomere paarweise vor [2].
‘ Kraftfeldrechnungen und semiempirische Rechnungen
(PM3) haben ergeben, daß das Diastereomer mit der Konfigurati-
on RRSSRR/SSRRSS sich energetisch nicht signifikant von dem
gefundenen Diasteromer unterscheidet. Wir haben noch nicht
nachgewiesen, ob es bei der Synthese auch entsteht. Die Meso-
Form (RRRSSS) ist aus geometrischen Gründen unmöglich.
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W. Kläui et al. •Synthese und Kristallstruktur von Perhydro-l,4-benzoxazino[2,3-n]phenoxazin
Tab. II. Bindungslängen [Ä].
803
Tab. I. Kristalldaten und Verfeinerung von 1.
1,427(4)
1,430(4)
1,440(5)
1,446(5)
1,520(5)
1,528(5)
1,518(5)
1,509(5)
1,517(5)
1,536(6)
1,494(5)
1,526(5)
1,525(6)
0(1)-C (1)
1,465(4)
1,466(4)
1,464(5)
1,460(5)
1,556(5)
1,522(5)
1,524(5)
1,518(5)
1,523(6)
1,523(6)
1,513(6)
1,521(6)
1,533(6)
0(1)-C (7)
0(2)-C (13)
N (l)-C (2)
N (2)-C (l)
C (l)-C (6)
C(2)-C(3)
C(4)-C(5)
C(7)-C(8)
C(8)-C(9)
C (10)-C (ll)
C(13)-C(14)
C(14)-C(15)
C(16)-C( 17)
Summenformel
Molare Masse
Farbe
Kristallgröße [mm x mm x mm] 0,35 x 0,40 x 0,50
Kristallsystem
Raumgruppe
Elementarzelle
a
b
Ci8 H30 n 2 o 2
306,4 g/mol
farblos
CH2)-C(2)
N (l)-C (8)
N(2)-C(14)
C (l)-C (2)
monoklin
P2,/c
C(3)-C(4)
C(5)-C(6)
C(7)-C(12)
C(9)-C(10)
C (11)-C( 12)
C(13)-C(18)
C(15)-C(16)
C(17)-C(18)
[Ä] 22,682(5)
[Ä] 15,144(4)
[Ä] 9,880(2)
91,19(2)
V = 3393,0(1)
Z = 8
ß n
Zellvolumen [A ]
Zahl der Formeleinh. pro Zelle
Röntgenogr. Dichte [g ern-1]
Strahlung (CuKa) [mm-1]
Bereich 2 6 max
d
ber.
=
1 > 2
0.61
12 0
Tab. III. Bindungswinkel [°].
-25 < h < 25
C (13)-0(2)-C (2)
C (l)-N (2)-C (14)
N (2)-C (l)-C (6)
N (2)-C (l)-C (2)
114,9(3)
113,7(3)
109,7(3)
109,3(3)
111,2(3)
108,5(3)
109,1(3)
112,3(3)
109,7(3)
113,9(3)
108,6(3)
107,0(3)
110,4(3)
111,0(3)
110,1(3)
108,7(3)
107,2(3)
111,1(3)
110,8(4)
109,1(3)
C (7)-0(1)-C (l)
C (2)-N (l)-C (8)
N (2)-C (l)-0(1)
0(1)-C (1)-C (6)
0(1)-C (1)-C (2)
N (l)-C (2)-0(2)
0(2)-C (2)-C (3)
0(2)-C (2)-C (l)
C(4)-C(3)-C(2)
C(4)-C(5)-C(6)
0(1)-C (7)-C (8)
C(8)-C(7)-C(12)
N (l)-C (8)-C (9)
C(8)-C(9)-C(10)
C(12)-C(l 1)-C(10)
0(2)-C (13)-C (14)
115,6(3)
114,3(3)
106,7(3)
109,2(3)
--1117 << /k<<00
Gemessene Reflexe
Unabhängige Reflexe
zur Verfeinerung verwendet
5365
5019
110,6(3) C (6)-C (l)-C (2)
N (l)-C (2)-C (3)
N (l)-C (2)-C (l)
111,0(3) C (3)-C (2)-C (l)
113,3(3) C(5)-C(4)-C(3)
107,0(3)
108,3(3)
0,066
F2
410/4
0,245
0,074
^int.
Verfeinerung auf
Parameter/Restraints
wR2
R\ für I > 2cr(I)
110,2(3)
110,1(3)
111,2(3)
111,3(3)
C (l)-C (6)-C (5)
0(1)-C (7)-C (12)
N (l)-C (8)-C (7)
C(7)-C(8)-C(9)
Experimenteller Teil
109,5(3) C(9)-C(10)-C (l 1)
111,2(4)
C (7)-C (12)-C (ll)
Allgemeines
0(2)-C (13)-C (18)
N(2)-C(14)-C(13)
C( 13)-C( 14)-C( 15)
C( 15)-C( 16)-C( 17)
C( 13)-C( 18)-C( 17)
110,8(3)
C(14)-C(13)-C(18) 112,8(3)
N(2)-C(14)-C(15) 111,6(3)
C(16)-C(15)-C(14) 111,3(3)
111,1(4)
Die angegebene Anleitung für die Synthese von d,l-
trans-2-Aminocyclohexanol ist eine Modifikation der
Vorschrift von Leffler et al. [7]. Cyclohexenoxid ist
ein Handelsprodukt der Firma Riedel-de Haen und 1,2-
Cyclohexandion ein Produkt der Firma Fluka. NMR-
Spektren wurden auf einem Bruker AM 200 SY Spek-
trometer, das IR-Spektrum mit einem Bruker-FT-IR-
Spektrometer IFS 66 und das Massenspektrum mit einem
Varian MAT 311 A (EI, 70 eV, Quellentemperatur 200 °C)
gemessen.
C(16)-C(17)-C(18)
sowie der Strukturlösung und -Verfeinerung. Wichtige
Bindungslängen und -winkel befinden sich in den Tab.
II und III.
trans-2-Aminocyclohexanol
Zur Kristallstrukturbestimmung [2] geeignete Einkri-
stalle von 1 wurden durch Diffusionskristallisation aus
Pentan bei R.T. gezüchtet. Die Röntgenstrukturanaly-
se wurde auf einem Enraf-Nonius CAD4 Diffraktometer
mit CuKa-Strahlung (A = 1.54178 ?, Graphitmonochro-
mator) bei T = 200(2) K durchgeführt. Die Strukturauf-
klärung erfolgte mittels Direkter Methode (SHELXTL-
Plus [8]). Alle Nichtwasserstoffatome wurden aniso-
trop, die H-Atome, durch Differenzelektronendichte-
Bestimmung lokalisiert, mit einem Reiter-Modell verfei-
nert (Verfeinerung auf F2, SHELXTL-93 [9]). Es wurde
eine Extinktionskorrektur durchgeführt. Tab. I gibt ei-
ne Zusammenfassung der Kristall- und Meßparameter,
Zu 0,5125-proz. Ammoniaklösung (7 mol Ammoniak)
werden bei 40 °C innerhalb von 10h 49 g Cyclohexenoxid
(0,5 mol) zugetropft. Die resultierende Mischung wird
weitere 30 h bei 40 °C und 24 h bei R.T. gerührt. Die
Isolierung des Aminoalkohols erfolgte nach Literatur [7].
Ausbeute 46 g (80 % d. Th.).
Perhydro-1,4-benzoxazino[2,3-nJphenoxazin
In einem 100 ml Dreihalskolben mit Rückflußkühler,
Tropftrichter und Thermometer werden unter Stickstoff-
atmosphäre 7,0 g (0,06 mol) trans 2-Aminocyclohexanol
in 25 ml thf gelöst und zum Rückfluß erhitzt. Dazu wird
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804
W. Kläui et al. ■Synthese und Kristallstruktur von Perhydro-1,4-benzoxazino[2,3-n]phenoxazin
eine Lösung von 1,5 g (0,01 mol) 1,2-Cyclohexandion in
30 ml thf langsam zugetropft, so daß die Dionkonzentrati-
on stets gering ist (GC-Kontrolle). Die Zugabe des Dions
0,7 %), 208, 193 ([M-C6 Hn NO]+, 100 %), 150, 124,
112 ([M-C,2 H2ü N2 0 2]+, 14 %), 96, 81, 55.
200 MHz-1 H-NMR (CDC13), ppm: 6 = 3,44 (m, 2H,
erfolgt innerhalb von 11/2 h und seine quantitative Um- OCH(CH2)CH), 3,05 (m, 2H, NHCH(CH2)CH), 2,47 (m,
setzung ist nach 2 h beendet. Die Lösung wird weitere 3 2H, CNHCH), 1,0 - 1,9 (m, 24H, CH2).
h gerührt, anschließend am Rotationsverdampfer bis zur
Trockene eingeengt und der Rückstand in 30 ml Methanol
aufgeschlämmt. Der Feststoff wird abfiltriert, zweimal
50 MHz-13 C{‘ H}-NMR (CDC13), ppm: 6 =
86,5 (OC(CH2)(NH)C), 76,6 (OCH(CH2)CH), 53,5
(NHCH(CH2)CH), 34,5, 31,5, 31,3, 25,4, 25,1, 24,2
mit je 10 ml Methanol gewaschen und im Hochvaku- (CH2).
um getrocknet. Zur Reinigung kann die Verbindung aus
Dichlormethan umkristallisiert werden. Ausbeute: 1,7 g
(55,4 %); m. p. 133 °C.
Dank
Elementaranalyse für C |8H3oN20 2
Wir danken Herrn Dr. G. Steffan, Bayer AG Leverku-
Ber. C 70,55 H 9,87 N 9J4% ,
sen, für die Anregung dieser Untersuchung und wertvolle
Diskussionen. W. K. dankt dem Fonds der Chemischen
Gef. C 71,1 H 10,1 N 9,3 %.
IR, KBr, cm“ 1: 3293 s (u NH), 2926 s, 2857 s (u CH2)
1506 w (6 NH), 1097 s (u COC) MS, EI, m/z: 306 (M+’, Industrie für die Unterstützung seiner Arbeit.
[5] A. Le Rouzic, D. Raphalen, D. Papilion, M. Kerfan-
to, Tetrahedron Lett. 26(15), 1853 (1985)
[6] A. Kumar, J. Phys. Chem. 86, 1674 (1982) und dort
zit. Lit.
[7] M. T. Leffler, R. Adams, J. Am. Chem. Soc. 59,
2252(1937).
[8] G. M. Sheldrick, SHELXTL-Plus 1989, Siemens
Analytical X-Ray Instruments Inc., Madison, Wis-
consin, USA (1989).
[1] Gezeichnet mit dem XP-Modul aus SHELXTL-Plus,
s. Ref. [8], Numerierung der Atome wie in den Ta-
bellen II und III.
[2] Weitere Einzelheiten zur Kristallstrukturunter-
suchung können beim Fachinformationszentrum
Karlsruhe, Gesellschaft für wissenschaftlich-techni-
sche Information mbH, D-76344 Eggenstein-Leo-
poldshafen, unter Angabe der Hinterlegungsnummer
CSD-407031, angefordert werden.
[9] G. M. Sheldrick. SHELXL-93, Universität Göttin-
gen, (1993).
[3] J. Barluenga, F. Aznar, R. Liz, M. P. Cabal, F. H.
Cano, C. Foces-Foces, Chem. Ber. 119, 887 (1986).
[4] B. Alcaide, J. Plumet, I. M. Rodriguez-Campos,
S. Garcia-Blanco, S. Martinez-Carrera, J. Org.
Chem. 57, 2446 (1992) und dort zit. Lit.
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