DE1768268A1 - Verfahren zur Herstellung von gamma-Ketocarbonsaeureesteraethylenketalen - Google Patents

Description

DlPL-CHEM. DR. ELISABETH JUNG DIPL-CHEM. DR. VOLKER VOSSIUS DIPL-PHYS. DR. JÖRGEN SCHIRDEWAHN

PATENTANWÄLTE

MÖNCHEN 23,

CLEMENSSTRASSE 30

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TELEGBAMM-ADRESSEi INVENT/MONCHb'N

TELEX 5-29686

P 17 68 268.7-42
u.Z. : D 282C

Pos-13251

SUMITOMO CHEMICAL COMPANY, LTD., Osaka, Japan

15. April 1970 vdB/or

"Verfahren zur Herstellung von !"-Ketocarbonsäureesteräthylenketaien"

Priorität: 25. April 1967, Japan, Nr. 26 775/67

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herateilung von ^•-Ketocarbonsäureester-äthylenlcetalen der allgemeinen Pormel

R₁-OHg-C-CH₂-OH₂-COOR₂

0 0

1 (

.OH₂-GH₂

(X)

in der R₁ ein Wasseretoffatom, ein Allsyl- oder Arylrest und ein niederer Alfcylrest ist, aus den entsprechenden niederen Alkylestern von r-Ketocarbonsäuren der Ellgemeinen Formel

R₁-CH₂-C-CH₂-CH₂-COOR₂

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Neue Unterlagen !Art. 7 § 1 At*. ? ■·>:■,· ι «·

(II)

BAD ORiQiNAL

. * 9t W6/.

Einige Athylenketale, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt werden können, sind bekannte Zwischenprodukte zur Herstellung von z.B. 5-Benzyl-3«furyimethylahrysantheraat, dessen insektizide Aktivität in der Zeitschrift Nature 1967, Seite 493, beschrieben ist. Ferner sind diese Verbindungen Zwischenprodukte zur Herstellung von Arzneimitteln.

Zur Herstellung von cyclischen Äthylenketalen von Ketonen ist es bisher üblich gewesen, Äthylenglykol und das Keton in einem geeigneten Lösungsmittel und in Gegenwart eines sauren Katalysators zu erhitzen. Das bei der Ketalisierung gebildete Wasser wird als azeotrop siedendes Gemisch mit einest organischen Lösungsmittel aus dem Keakticnssystem abdestilliert. Dieses Verfahren ist auch bei Ketonen anwendbar, die eine Carbonsäureestergruppe aufweisen.

Wenn das bekannte Verfahren auf Carbonsäureestern angewandt wird, die eine Carboxylgruppe in der J"-Stellung zur Carbonsäureestergruppe aufweisen, dann ist jedoch dieses Verfahren aur Herstellung der entsprechenden Äthylenketale aus folgenden Gründen wenig brauchbar. /

1. Das zur Ketalysierung verwendete Äthylenglykol geht eine Uaesterungsreaktion mit dam niederen Alkyleater der /'»Ketocarbonsäure ein. Hierbei werden die Mono- und Diglykolester gebildet. Das Ausmass der Umesterung hängt von der Art. des /"-Ketocarbonsäureesters ab. Bei der Umsetzung von s.B. Lävulinsäureäthyleeter mit Äthylenglykol in Gegenwart von p-Toluolsulfonsäure als Katalysator und bei gleichzeitiger Abtrennung des Wassers als

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azeotrop siedendes Gemisch mit Benzol erfolgt Umesterung zusammen mit der Ketalisierung. und als Hauptprodukt entsteht das Äthylenketal des Lävulinaäure-Ö-hydroxyäthylestera (III)_t während das Äthylenketal des iävulinsäureäthylestere (IV) nur in sehr geringer Ausbeute erhalten wird.

₃Ch₂CH₂COOC₂H₄OH CH₅-C-CH₂-CH₂-COOC₂H₅

0 0 OO

1 I (III) I \ (IV) CH₂-CH₂ CH₂-CH₂

Wenn ein Ester der cT-Phenyllävulinsäure verwendet wird, so ist das Ausmass der Umeeterung dieses Esters mit Äthylenglykol im Falle des Methylesters besonders gross· Bas Auslass der Umesterungsreaktion erreicht im Falle des Äthylesters einen Wert von 20 bis 40-(33Vt₇Ji und im Falle des Isopropylestera einen Wert von mindestens 10 #.

2. Mit fortschreitender Ketalisierung und wenn der Anteil des eingesetzten Ketocarbonsäureester im Reaktionssystem im Wert von etwa 5 Ms 10 Gew.- £ des Ketalesters ausmacht, fällt die ßeaktionegeschwindigkeit der Ketalisierung erheblich ab und es wird schwierig, die Geschwindigkeit der Uinesterungsreaktion mit Äthylenglykol von der Geschwindigkeit der Nebenreaktion der Polyäthylenglykolbildung zu unterscheiden« die zusammen mit der Ketalisierungereaktion abläuft. Selbst wenn daher eine Verringerung der Ausbeute geduldet werden kann, ist es sehr schwierig, den Gehalt an eingesetztem Ketocarbonsäureester auf einen Wert

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von weniger als 5 # au verringern. Weiterhin bestehen im allgemeinen keine groesen Unterschiede im Siedepunkt unter vermindertem Druck zwischen den /"-Ketocarbonsäureestern und deren Äthylenketaleii. Aus diesem Grunde ist die selektive Abtrennung der gewünschten Ketocarbonsäureester durch Destillation technisch unwirtschaftlich.

3. Es ist zwar möglich, im gewissen Grade das Ausmass der Umesterungsreaktion mit Äthylenglykol (vergl. oben unter 1) z.B.

durch Erhöhung der Verdünnung, des Reaktionssystems durch. Zugabe eines Lösungsmittels oder durch Erniedrigung der Äthyienglykolkonzentration im Reaktionssystem herabzusetzen. Dies hat jedoch zur Folge, dass die Geschwindigkeit der Ketalisierung, die die Hauptreaktion ist, verringert wird, und die Reaktionszeit sich erheblich verlängert. Aus diesem Grunde verbieten sich die vorgenannten Maesnahmen.

Auseerdera wurde festgestellt, dass die /'-Ketocarbonsäureester die Eigenschaft haben, keine offenkettigen Dialkylketale zu bilden und auch keine Umketalisierung einzugehen, wie sie bei Ketonen üblicherweise beobachtet wird. ^-Ketocarbonsäureester verhalten sich also anders als übliche Ketone» Selbst wenn man daher die Ketalieierung nach üblichen Verfahren durchführt, ist es schwierig, die entsprechenden Äthylenketale dieser /"-Ketocarbonsäureester in hoher Ausbeute und Reinheit zu erhalten.

Bei der Ketalisierung von /'-Ketocarbonsäureestern wurde auch festgestellt, dass die Geschwindigkeit der Ketalbildung der Carbonylgruppen in gleichem Masse zunimmt wie die Geschwindigkeit

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BAD

} der Umeaterungsreaktion mit Äthylenglykol. Es wurde ferner

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\ festgestellt, dass die Geschwindigkeit der Ketalbildung der

/ ■ ■ ■■-■'·■""■ /"-Ketocarbonsäureester mit Äthylenglykol praktisch 100 # erreicht. Dies steht im Gegensatz zu den üblichen Fällen, bei denen ein Gleichgewicht bei einem Wert von 5 bis 10 i» nicht umgesetzten ^-Ketocarbonsäureester erreicht wird«

(a) R-CH₂-C-CH₂-CH₂-COOCh₂CH₂OH

ι r

CH₂-CH₂

(b) R-CH₂-C-* CH₂-CH₂

Ct \°

CH₂-CH₂ 0 CH

CH₂

CO

R-CH₅^C -

ff

CH₂-CH₂

Brfindungsgemäse wurde festgestellt, dass der vorstehend wiedergegebene Monoester der Formel (a) und 4er Diester der Formel (b) mit beliebigen niederen einwertigen Alkoholen in Gegenwart einer katalytischen Menge eines Alkalimetallalkoholates aus dem gleichen niederen einwertigen Alkohol rasch die Umesterung eingeht und quantitativ in den Ester des niederen einwertigen Alkohols umgewandelt wird, ohne dass hierbei

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reihe' Massnahme angewendet werden muss, das in Freiheit gesetzt ο Äthylenglykol aus dem Reaktionssystem abzutrennen·

Dementsprechend betrifft die Erfindung ©in neues Verfahren aur Herstellung von J'-Ketocarbonßäureester-äthylenketalen der allgemeinen Formel I, das .dadurch gekennzeichnet ist, dass man

"einen niederen Allylester _ ... . ._.

einer /"-Ketocarbonsäure der· allgemeinen Formel

R₁-Ch₂-C-CH₂-CH₂-COOII₂ .* .0 -

in der R₁ und R₂ die obige Bedeutung haben, in Gegenwart eines sauren Katalysators mit einem Überschuss an Äthylenglykol zur Umsetzung bringt, das bei der Umsetzung gebildete Wasser und den Alkohol aus dem Reaktionsgemisch abtrennt und das Reaktionsgemisch mit einer überschüssigen Menge eines wasserfreien einwertigen Alkohols mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen iri Gegenwart eines Alkalimet allalkoholats dieses einwertigen Alkohols behandelt.

Has Verfahren der Erfindung hat folgende~Vorteile* γτζζζγτ.:

1) Die Ketalbildung wird unter solchen Reaktionsbedingungen durchgeführt, dass die Umesterungsreaktion gleichzeitig stattfindet· Aus diesem Grunde ist die Reaktionsgeschwindigkeit sehr hoch und die Reaktionszeit erheblich verkürzt gegenüber deia bekannten Verfahren. "

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2) Die . Umwandlung_ verläuft praktisch vollständig und aus diesem Grunde können praktisch reine Ester der Ketale leicht erhalten werden.

3) Bei dem herkömmlichen Verfahren» ist der durch Umesterung des Äthylenketals des /'-Ketocarbonsäureesters oder des /"-Ketocarbonsäureesters mit Äthylenglykol ein Nebenprodukt« und selbst wenn die Umsetzung unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, dass die Bildung dieser Nebenprodukte soweit wie möglich unterdrückt wird, lässt sich eine Verminderung der Ausbeute an Ketal des Esters des einwertigen Alkohols der

/'-Ketocarbonsäure nicht vermeiden. Im Verfahren der Erfindung liegt jedoch nach beendeter Umsetzung kein Hebenprodukt vor, und aus diesem Grunde kann das f-Ketocarbonsäureester-ketal in quantitativer Ausbeute erhalten werden.

4) Die Ketalbildung, die gleichzeitig mit der Umesterung mit Äthylenglykol verläuft, sowie die anschliessende Umesterung mit dem niederen einwertigen Alkohol in Gegenwart einer kata-Iytischen Menge des Metallalkoholates kann in einer Reaktion ~ lediglich durch aufeinanderfolgende Zugabe der.Reaktionsteilnehmer bewirkt werden. Dementsprechend kann das Verfahren der Erfindung in wirtschaftlicher Weise in einem einstufigen Verfahren durchgeführt werden. Prinzipiell kann das Verfahren jedoch auch in zwei Stufen durchgeführt werden.

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Pa die Menge an Alkalimetallalkoholate die im Verfahren der Erfindung verwendet wird, sehr gering ist, sind die erhöhten Kosten an Auegangsverbindungen praktisch vernachlässigbar·

Im Verfahren der Erfindung können beliebige niedere Alkylester von /"-Ketocarbonsäuren eingesetzt werden. Beispiele für die Reste R₁ sind Methyl, Äthyl, Propyl, Butyl, Phenyl, Furyl und 'ihienyl. Beispiele filr die Reste R₂ sind Methyl, Äthyl, Propyl und Butyl. Sie Methyl- und Äthylester werden bevorzugt eingesetzt.

Das Äthylenglykol wird im Verfahren der Erfindung theoretisch in einer Menge von 2 Hol je 1 Mol ^-Ketocarbonsäureester verwendet* Zur Erzielung günstiger "Ergebnisse muss jedoch nicht der gesamte

auf einmal
/'-Ketoearbonsäureester/in den entsprechenden Äthylenglykoleater umgewandelt werden* Beispielsweise kann bei der Ketalbildung des (Aphenyllävulinsäureäthylesters die Umwandlung ..zum Äthyl enkejfcal genügend erhöht werden, wenn 30 bis 50 i» Mono- oder Diester des Äthylenglykols gebildet sind. In einigen Fällen wird deshalb das Äthylenglykol in einer Menge von weniger als 2 Mol, jedoch in einer Menge von mehr ale 1 Mol je Mol /"-Ketocarbonsäureester verv/endtit. Es können auch mehr als 2 Mol Äthylenglykol verwendet werden. Dies hängt von der Art des eingesetzten /"-Ketocarbonsäureester ab.

Als Katalysator zur Ketalbildung können Alkylsulfonsäuren, wie Methaftsulfonsäure, oder aromatische Sulfonsäuren, wie Benzoleulfonsäure oder ρ-Toluoleulfons&ure, oder Schwefelsäure' verwendet werden.

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BAD ORiGfMAL

Die Reaktionstemperatur für die Ketalbildung iet nicht besonders kritisch, im allgemeinen wird eine etwas höhere Temperatur angewandt, wie sie bei der Ketalbildung von Ketonen verwendet wird. Die Arbeitatemperatur liegt i» allgemeinen im Bereich zwischen etwa 90 und 20O⁰O. ...

Das Verfahren der Erfindung kann in Abwesenheit oder Gegenwart eines Lösungsmittels durchgeführt werden* Vorzugsweise wird ein organisches !lösungsmittel verwendet, das unter den Reaktionsbedingungen inert ist und alt dessen Hilfe sich das bei der Umsetzung gebildete Wasser und der einwertige Alkohol azeotrop . abdestillieren lässt. Geeignete Lösungemittel sind Halogenkohlenwasserstoffe, wie Dichiorathan oder Kohlenwasserstoffe, wie ' Benzol oder Xylol, die keine Veränderungen in Gegenwart von Alkalimetallalkoholaten eingehen. Im allgemeinen ist jedoch die Reaktionsgeschwindigkeit bei Zugabe eines " Lösungsmittel

verringert. Es ist deshalb unerwünscht, das Rea&tionsey* stem durch Zugabe grösserer Mengen an Lösungsmittel au verdünnen·

Sobald die Ketalbildung das gewünschte Ausmass erreicht hat, wird das Reaktionsgemisoh, das das Athylenketal des i^Ketoöarbonsäure-

auch
esters und/den Äthylenglykolmonoester und Athylenglykoldiöster

enthält, mit einem Überschuss an einem wasserfreien niederen

mit 1 bis K Kohlenstoffatomen einwertigen Alkohol/, wie Methanol, Äthanol, n-Propanol oder

Isopropanol, versetzt. Weiterhin wird zum Reaktionsgeraisch ein

mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen Alkalimetallalkoholat des einwertigen Alkohols/zugegeben, wie

fiatriuinmethylat, Katriumäthylat oder Kaliumäthylat, Befriedi-

gewöhnlich
gende Ergebnisse werden/erhalten, wenn das Alkalimetallalkoholat

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in einer Menge von weniger als 0,05 Mol ^e Mol des eingesetzten Esters zugegeben wird. Die Keaktionstemperatur ist in diesem Falle nicht besonders kritisch, vorzugsweise liegt sie zwischen 50 und 10O⁰C. Wenn z.B. im Falle des Ketals des (f-Phenyllävulineäureesters das Reaktionssystem auf 60⁰O erwärmt wird, ist der Anteil an Äthylenglykolester des Ketale nach etwa 30 Minuten praktisch verschwunden.

Wenn der Alkoholrest des eingesetzten /•-Ketoearbonsäureesters verschieden ist vom Alkoholrest des Alkalimetallalkoholate und des niederen einwertigen Alkohols, so wird ein Gemisch von /"-Ketocarbonsäureester-äthylenketalen mit untersohiedlichen

(H₂)
Alkoholresten/in der Estergruppe erhalten. Deshalb verwendet man vorzugsweise ein Alkalimetallalkoholat und einen niederen ein·* wertigen Alkohol, der den Alkpholrest des eingesetzten ^-Ketocarbonsäureesters entspricht.

Das Reaktionsprodukt wird nach Üblichen Methoden in einfacher

z.B.

Weise aufgearbeitet* Entweder wird/das ßeaktionegemisch in Wasser eingegossen, oder zunächst überschüssiger Allcohol abdestilliert und die organische Phase unter vermindertem Druck destilliert« Auf diese Weise wird der reine Ketalester in hoher Ausbeute erhalten.

Die erfindungegemäss herstellbaren /'-Ketocarbonsäureesteräthylenketale sind wertvolle Zwischenprodukte, die z.B. zur Herstellung von landwirtschaftlichem Chemikalien und Arzneimitteln verwendet werden können,

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-U-

Sie Beispiele erläutern die Erfindung· Prozentangaben beziehen Bicb auf das Gewicht.

Vergleichsversuch, . .

200 g (f-Phenyllävulinsäureäthylester, 102 g Äthylenglykol, 1 Liter Benzol und 1 g p-Toluolsulfonsäure werden miteinander vermischt und 20 Stunden unter Btickfluss gekocht. Wasser wird

mit Äthanol .

als azeotrop siedendes Gemisch/durch fraktionierte Destillation

abgetrennt» .

Nach dem Abkühlen wird das fieaktionsgemisch mit 200 ml 5 #iger wässriger Natriuiacarbonatlöeung gewaschen, anschließend getrocknet und eingedampft. Es hinterbleiben 200 g roher Ketal-■ester* Ler rolae Ester wird miter venninderteci Druck destilliert. Es v/erden 200 g eines Äthylenketals von cP-Phenyllävulihsäureäthylester vom Siedepunkt 125 bis 130⁰C / 0,2 Torr erhalten. Das Produkt enthielt 5 # <f-Phenyllävulinsäureäthyle8ter» Die Ausbeute an Ithylenketal des ο-Phenyllävulinsäureäthylestern, berechnet auf 100 ^Reinheit, beträgt 72 %*

Beispiel 1

Ein Gemisch aus 220 g cPPhenyllävulinsäureäthy!ester, 130 g Äthylenglykol, 100 ml Benzol und Ig p-Ioluolsulfonsäure wird unter Rückfluss erhitzt, und gleichzeitig werden Wasser und Xthanol als azeotrop siedendes Gemisch fraktioniert abdestilliert. Hach 9 Stunaen werden dem fteaktionsgemisch 150 ml wasserfreies Äthanol sowie eine lösung von Katriurttäthylat in Äthanol zugesetzt, die durch Auflösen von 4- g Natrium in 80 ml

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wasserfreiem Äthanol erhalten wurde. Daa Reaktionegeraisch wird eine Stunde auf 80⁰C erwärmt. Nach dem Abkühlen wird das Reaktionsgemisch mit 500 ml Benzol versetzt und in 5 liter kaltes Wasser eingegossen* Sie organische Lößuns wird abgetrennt und die wässrige Lösung mit 200 ml Benzol extrahiert· Die organischen Lösungen werden vereinigt, Über wasserfreiem Natriumsulfat ge« trocknet und das Benzol wird abdestilliert· Es hinterbleiben 255 β rohes Äthylenicetal von e/~Fhenyllävulinsäureäthylester· Das Produkt wird bei 13O⁰C /0,2 Torr destilliert. Es werden 250 g reine Verbindung in 95 #-ig«»r Ausbeute erhalten·

Aufgrund der gas Chromatograph! sehen quantitativen Analyse hat das Produkt eine Reinheit von 98 bis 99 $> und einen Gehalt an nicht umgesetztem /"-Phenyllävulinsäureäthylester von 1 bis 2 #♦ Die Ausbeute, bezogen auf 100 jS-ige Reinheit, beträgt 93 bis 94 5Ä.

Beispiel 2 .

Ein Gemisch aus 12518 g Lävu'iinsäureäthylester, 106 g Äthylenglykol, 300 ml Benzol und 0,5 g p-Toluolsulfonsäure wird 13 Stunden unter Rückfluss erhitzt, und gleichzeitig wird ein Gemisch aus Wasser, Äthanol und Benzol vom Siedepunkt 65⁰C fraktioniert abdestilliert. Anachlieasend wird ein Teil des Reaktionsgemisches entnommen, in Benzol gelöst und gasohromatographisoh analysiert. Das Gemisch enthält folgende Verbindungen:

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(Flächenprozent der "Beständteile des Reaktionsgemisches oder Gas chromatogramms)

(I) Lävulinsäureäthyleeter 4 #

(II) Äthylenketal des Lävulinsäure- 29 £ äthylesters

(III) Äthylenketal dee Iävul insäur e- 40 1> \ ß-hydroxyäthylestere

(IV) Äthylenketal des I£vulinsäure- 26 ^ diesters von Äthylenglykol

Das Reaktionageaiisch wird weiter umgesetzt, und sobald die Ketalisierung vollständig ist, wird eine Äthanollösung von Natriumäthylat zugegeben, die durch Auflösen von 2 g Natrium in 150 ml wasserfreiem Äthanol hergestellt wurde. Danach wird das Gemisch noch eine Stunde gekocht» Anschliessend wird das Reaktionsgemisch geraäBß Beispiel 1 aufgearbeitet· Es werden 100 g Lävulinsäureäthylester-äthylenketal vom Siedepunkt 111,5⁰C/ 12 'iorr erhalten,

Beispiel 3

Ein Gemisch aus 30,7 gcf-(2-Thienyl)~lävulinsäureäthylester, 20 ml Äthylenglykol, 15 ml Benzol und 0,15 g p-Toluolsulfon-Bäure-monohydrat wird geraäss Beispiel 1 zur Umsetzung gebracht. Es werden 29,1 g <f-(2-Thienyl)-lävulinsäureäthylester-äthylenketal vom Siedepunkt 120 bis 125⁰C/ 0,1 '^orr erhalten.

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Claims (1)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von /'-Ketooarbonsäureesteräthylenketalen der allgemeinen Formel

R₁-OH₂^-OH₂-CH₂-COOR₂

0 O CH₂-CH₂ .

in der R₁ ein Waaserstoffatom, ein Alkyl- oder Arylrest und

mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen

ein niederer Alkylreat/iat, dadurch gekennzeichnet, dasβ man einen niederen Allylester einer /'-Ketocarbonsäure der allgemeinen Formel

R₁-CH₂-C-CH₂-CH₂-COOR₂

in der R₁ und R₂ die obige Bedeutung haben« in Gegenwart eines

einem Überschuss an sauren Katalysators mit/Athylenglykol zur Umsetzung bringt, das bei der Umsetzung gebildete Wasser und den Alkohol aus dem Re aktionsgemische abtrennt und das Reaktionsgemische mit einer überschüssigen Menge eines.wasserfreien einwertigen Alkohols mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen in Gegenwart .eines.Alkalimetallalkoholats dieses einwertigen Alkohols behandelt.

2· Verfahren nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, dass als ^-Ketocarbonsäureester der o-Phönyllävulinsäureäthylester, lävulinsäureäthylester oder <f-(2-Thienyl)-lävulinsäureäthylester verwendet wird.

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Neue Unterlagen-'iArt. 711 μ .-. r · ■-. ? ■ · ■ ■ ' ·■ .V rungaoe«. v. 4.». Tse·

3c Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g β Ic e η η zeichnet, dass als /^-Ketocarbonsäureester ein Äthylester, als Alkalimetallalkoholat Natriumäthylat und ale Alkohol Äthanol verwendet wird.

4* Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalimetallalkoholat einer Menge von höchstens 0,05 Hol je Hol des eingesetzten /'-Ketocarbonsäureesters verwendet wird.

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ORIGINAL INSPECTED