DE2336342A1 - Verfahren zur herstellung und verwendung von fixierten uebergangsmetall-katalysatoren - Google Patents
Verfahren zur herstellung und verwendung von fixierten uebergangsmetall-katalysatorenInfo
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Description
Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH D —8 MÜNCHEN
Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN ' . StefnsdorfstraBe 10
Dr. rer. nat. W. KÖRBER 'S· (oeii)-29 66 84
PATENTANWÄLTE
17. Juli 1973 K/Ne
ATOMIC ENERGY OF CANADA'LIMITED · 2336342
275 Slater Street
Ottawa, Ontario / Canada
Ottawa, Ontario / Canada
Verfahren zur Herstellung; und Verwendung von fixierten
Übergangsmetall-Katalysatoren
Die Erfindung "betrifft die Herstellung und Verwendung
von fixierten ("anchored") Übergangsmetall-Katalysatoren. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Übergangsmetall-Katalysatorsystem,
bei dem das Übergangsmetall aus der Gruppe .Ruthenium, Rhodium und Iridium ausgewählt ist und
bei dem der stabilisierende Ligand eine funktioneile Gruppe ist, welche chemisch an ein vernetztes Polystyrol
angelagert ist.
Um befriedigende Umsetzungswerte bei Prozessen zum Anreichern
von Deuterium zu erhalten, hat man als notwendig angenommen, übliche Metallkatalysatoren auf Trägern zu
verwenden. Es handelt sich um heterogene Katalysatoren, bei denen die Metalle als Kristallite von Metallatomen
auf festen trägern abgelagert sind. Si«r «erden bei Reaktionen
in der Gas- oder Flüssigphase verwendet. Derartige heterogene Katalysatoren haben sich als nicht völlig befriedigend
für die Anreicherung von Deuterium in der
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flüssigen Phase erwiesen. Die hauptsächliche Einschränkung "bei
der Verwendung von üblichen heterogenen Katalysatoren war auf den Aktivitätsverlust zurückzuführen, bei einem Faktor
von etwa 1000, wenn derartige Katalysatoren in der flüssigen Phase im Vergleich zur Gasphase für die Reaktion
HD + H0O H0 + BDO
verwendet wurden. Dieser Effekt ist von G-.M. Murphy, Ed. in
"Production of Heavy Water", National Nuclear Energy, Series III, McGraw-Hill, 1955 i "beschrieben. Wegen dieser Einschränkung
der Verwendung von heterogenen Katalysatoren wurden homogene Übergangsmetall-Katalysatoren entwickelt, um die
!Reaktionen in der flüssigen Phase zu fördern.
Bestimmte Komplexe von Übergangsmetallen wie Co, Eh, Ru,
Ir und dgl. zeigen ungewöhnliche Eigenschaften infolge koordinierter NichtSättigung. Die Komplexe bestehen aus Ionen
der Metalle, welche an Seitengruppen, genannt Liganden, zugeordnet sind. Einige Komplexe dieser Art sind in Flüssigkeiten
löslich und wirken wie homogene Katalysatoren.
Für einen homogenen Übergangsmetall-Katalysator, der zur Steigerung einer ausreichend schnellen Förderung von Wasserstoff
oder Deuterium zur Deuterium-Anreicherung, zur Steigerung der Hydrierung von Olefinen, oder zur Steigerung anderer
entsprechender Reaktionen, welche die Bildung einer Metall-Wasserstoffbindung erfordern, wie Hydroformieren (hydroformylation)
und Polymerisation, dienen soll, ist es wünschenswert, derartig hohe Konzentrationen des gelösten Katalysators
zu erzielen, dass die Löslichkeitsgrenze seiner Start- oder Zwischenformen überschritten wird. Die Löslichkei-fenvon
ansprechenden homogenen Katalysatoren sind öfters äusserst niedrig in Lösungsmitteln, enthaltend an Sauerstoff
oder Stickstoff gebundenen Wasserstoff, wie Wasser und Alkohole Ausserdem ist ein gelöster Katalysator gewöhnlich schwierig
aus dem Reaktionsmedium wieder zu gewinnen.
SMt £0
Um die beim Arbeiten mit heterogenen und homogenen Übergangsmetallkatalysatoren
der bekannten Art auftretenden Schwierigkeiten zu beheben, wird vorgeschlagen, fixierte
Katalysatoren herzustellen durch chemische Anlagerung von homogenen Übergangsmetall-Katalysatorsystemen an geeignete
funktioneile Gruppen auf porösen Polymerisat Substraten, wobei
KatalysatorsjBBteme gebildet werden, welche verschiedene
chemische und physikalische Eigenschaften besitzen, aber die katalytischen Leistungsfähigkeiten der Komplexe beibehalten.
Die fixierten Übergangsmetallkatalysatoren gemäss der Erfindung können in ähnlicher Weise wie abgelagerte Metallkataly^
satoren der heterogenen Art verwendet werden, mit der Befähigung zur Verwendung in der flüssigen Phase. Zur leichten
Handhabung können die Katalysatoren in verschiedenen physikalischen Formen und Gestaltungen wie kugelförmige Perlen
(z. B. von 1 mm Durchmesser), Platten und dgl. hergestellt werden. Die Katalysatoren lassen sich daher leicht aus
Reaktionsmischungen entfernen, so dass übermässige Verluste am Metallanteil vermieden werden. Da die Katalysatoren im
Lösungsmedium ohne Aktivitätsverlust suspendiert werden können, lassen sie sich in Mengen anwenden, welche die Löslichkeitsgrenzen
der entsprechenden homogenen Katalysatoren überschreiten.
Gemäss der Erfindmng wird das zur Fixierung des Übergangsmetalls
dienende Harz entsprechend dem Verfahren von C. Tamborski, veröffentlicht in J. Org. Chem. 2£, 619 (1962)
hergestellt. Ein poröses Polystyrol (GRA-806 von Rohm und Haas) als makroredikulares Copolymer von Styrol und Divinylbenzol,
welches chlormethyliert ist, bezeichnet), wurde mit Dxphenylphosphinolithium wie folgt zur Reaktion gebracht.:
0 9 8 8
PLi —^
+nLiCl
Harz A
Die Polymerisation des Styrolmonomeren mit kleinen Mengen von
Divinylbenzol, ζ. B. 1 bis 5 %, führt zu einem vernetzten
Polymerisat, welches geeignetereEigenschaften (Unlöslichkeit,
Stabilität, usw.) besitzt als das Polystyrol allein. Das Divinylbenzol befähigt Ketten zur Vernetzung durch Überbrückung
angrenzender polymerer Ketten. Der Index "n" ist zahlenmässig in einem drei dimensionalen Netzwerk schwer
zu definieren.
G-emäss der Erfindung werden fixierte Übergangsmetallkatalysatoren
durch "Displacement reactions" hergestellt, bei denen die Diphenylphosphinogruppe, (CgHc)2P-, auf Harz A irreversibel
einen schwächer gebundenen Liganden im Koordinationsbereich des Katalysatorkomplexes verdrängt. Beispielsweise
werden nach den folgenden Gleichungen Olefine und einige Carbonylgruppen verdrängt, wobei verschiedene Rhodium-,
Ruthenium- und Iridiumverbindungen eingeschlossen sind.
Harz A +
—>
+ Harz-EhCl
Die dimere Rhodiumverbindung, Tetraäthylendichlorrhodium,
wurde mit der Diphenylphosphinogruppe verbunden, wobei Äthylen freigemacht und wahrscheinlich die Chlorbrücke abge
brochen wurde. Der exakte Verlauf der Reaktion konnte nicht definiert werden.
/27 Harz A + (C2H4)2Rh(Acetylacetonat) —y 2C2H^ + Harz-Rh
(Acetylacetonat)
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/2a7 Harz Eh (Acetylacetonat) + HOl —} Harz RhCl + Acetylaceton.
Das Produkt von Seaktion /"2/, Harz-Eh-(Acetylacetonat), muss
durch Behandlung mit HCl umgeformt werden, um den fixierten Komplex zu bilden, der aktiv zur Katalyse des DeuteriunjfauB-trausches
ist.
ES? 2 Harz A + Eh2(CO)4Gl2 —>
2C0 + 2 Harz-Eh(CO)Cl
Das Produkt von Eeaktion /y, Harz-Eh(CO)Cl, ist analog
(PPhO2 EhCOCl und ist gleichfalls ein wirksamer Hydrofor
mierungs- und Hydrierungskatalysator, jedoch katalysiert er nicht den D-Austausch.
/Su5Cl1 £2"~ + Harz A —^ Harz-EuCl2 +
Das Anion (EUcCl12)2" reagiert "bekanntlich mit Triphenylphosphin
unter Bildung des Komplexes EuCl2(PPh^),, der ein
wirksamer homogener Katalysator ist. Eeaktion [jy führt zu
einem fixierten Eu^11'-Komplex, einem Eu-^ •'-Komplex oder
einer Mischung der beiden Komplexe. Die Zugabe von IiCl5, als
Cokatalysator zwecks Eöduzierung.von Euv/ zu Euv * steigert
etwas die Aktivität des Katalysators bei D2-lthanol-Austauschreaktionen.
£51 Harz A + Ir(Cycloocten)2Cl —>
2(Cycloocten> - Harz-IrCl
Das Eeaktionsprodukt £*J ist das aktivste der fixierten Katalysatoren der EeaJctionen /17 bis /57, pro Mol des Metallkomplexes.
Jedoch sind die Ehodium-Katalysatoren am leichtesten herzustellen und mehr Ehodiumkomplexe mit geeignet schwachen
Liganden verfügbar zu Versuchen als entsprechende Euthenium-
und Iridiumkomplexe.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht in der Verwendung eines löslichen Übergangsmetallkomplexes mit
einem kleinen Liganden, der schwächer als die Diphenylphos-
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phinogruppe des Harzes und flüchtig nach der Verdrängung
ist, z. B. Äthylen oder Kohlenmonoxid. Derartige Reaktionen führen zu schnellen und quantitativen Resultaten. Die Verwendung
eines Olefin enthaltenden Startmaterials wird allgemein vorgezogen.
Keiner der fixierten Rhodium-, Ruthenium- und Iridiumkatalysatoren,
die nach den Verfahren der Reaktionen J2\7 "bis
/37 hergestellt sind, weist X-Strahlen-Beugungsbilder
(Pulvermethode) auf, die charakteristisch für das entsprechende Metall sind. Die fixierten Katalysatoren, welche
von Rhodium(I)-komplexen hergestellt sind, welche Liganden mit starken Oarbonylabsorptionen im Infrarot besitzen, wie
Harz-Rh (Acetylacetonat) und Harz-Rh(CO)Cl, haben ebenfalls
Carbonylabsorptionen, jedoch sind diese verschoben von denen
der Ausgangs-Carbonylverbindung, was besagt, dass neue Komplexe gebildet sind. Wenn man die fixierten Komplexe gemäss
der Erfindung mit Wasserstoff in Berührung bringt, führt dies nicht zu einer Reduktion zum entsprechenden Überleitungsmetall. Daher ist zu beachten, dass die erfindungsgemässe
fixierten Katalysatoren keine heterogenen Metallkatalysatoren auf Trägern sind, sondern analog homogenen Katalysatoren,
die chemisch an Polystyrolträgerharz angelagert sind.
Die Erfindung wird an Hand der folgenden, den Erfindungsgegenstand nicht begrenzenden Beispiele näher beschrieben.
Herstellung von Harz A:
Das diphenylphosphinosubstituierte Polystyrolharz wurde erhalten durch Umsetzung eines Überschusses von Diphenylphosphinolithium
mit chlormethyliertem Styroldivinylbenzolcopolymer (Rohm und Haas, GRA-806).
Durch langsame Zugabe von 25 ml Diphenylchlorphosphin
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(0,1 Mol) in 85 ml wasserfreiem Tetrahydrofuran .(THF) zu
3,5 g LitMummetall (0,5 Mol) in 100 ml THF unter Stickstoff
wurde Diphenylphosphinolithium quantitativ gebildet. Die Zugabe von 10 g des chlormethylierten Harzes (5»7 Milliäquivalente
Cl/g) zu einer filtrierten Lösung von überschüs
sigem Diphenylphosphinolithium bei 25 mit 2,97 meq. -
G ergab ein Produkt
Eine vorzugsweise schnellere Methode zur Herstellung von
Harz A, welche nicht die Verwendung von metallischem Lithium benötigt, ist folgende:
PH(G6H5)2 - n-Butyl-Li —} Li P(C5H5)2 + Butan
η Li
+ η LiCl
Diphenylphosphin (5»35 g» 28,6 mMol) wurden in 10 ml Tetrahydrofuran
gelöst und 28,6 mMol n-Butyllithium (als 2,2M-Lösung in Hexan) langsam unter Rühren zugegeben, wobei
Li P(C2H5)2 quantitativ erhalten wurde. Diese Lösung wurde
langsam zu etwa 5»0 g des chlormethylierten Polystyrols gegeben,
bis ein schwacher Überschuss von Li P(C2Hc)2 vorlag.
Die Suspension wurde 5 Stunden gerührt, dann 1 ml C2HcOH
zugegeben, um das restliche Li P(C^HIr)2 zu zerstören. Das
Harz wurde viermal mit 25 ml Methanol gewaschen, dann zweimal
mit 25 ml Tetrahydrofuran und schliesslich im Vakuum getrocknet.
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Herstellung von fixierten Rhodiumkatalysatoren:
(T) a) 85 mg y-Dichlortetraäthylendirhodium^ ' wurden unter Stick- [
stoff 20 Stunden bei 25° C mit 343 mg Harz A (Beispiel I ) j
gerührt. Äthylen wurde entwickelt und der fixierte Kata- j lysator Harz-RhCl entsprechend Gleichung £j erhalten. j
b) 46 mg y-Dichlordicyclopentadien-Rhodium^ ' wurden mit
58 mg Harz A in Benzol 24 Stunden bei Raumtemperatur unter Bildung eines gelben Produkts zur Reaktion gebracht,
welches bedeutet, dass es das Resultat einer unvollständigen Verdräigung von Olefin war.
c) Durch Umsetzung von 406 mg Harz A in Benzol bei 25° G
mit 95 nig des komplexen Bis-(äthylen)-rhodiumacetylacetonat
wurde Äthylen schnell vom Komplex durch die -P(CgH1-^-
Gruppen des Harzes verdrängt und Harz-Sh(Acetylacetonat)
als gelbes Produkt in Minuten erhalten. Die Acetylacetonatgruppe wurde schnell durch Chlor durch Behandlung des
Produkts mit 0,In-HCl in Äthanol bei 25° C verdrängt.
d) Kohlenmonoxid wurde schnell '(innerhalb von Minuten) während der Reaktion von etwa 50 ^S dimeren Rhodiumcarbonylchlorid
/Rh(CO)2ClZ2 ffli* einem Überschuss von Harz A in Benzol
bei 25(O flüchtig. Das Infra rot spekt rum des gelben Produkts
hatte zwei Kohlenstoffabsorptionsbänder. Das Produkt ist
wahrscheinlich Harz-Rh(CO)Cl, analog dem bekannten (PPhJ--Rh(CO)Cl.
mg Ir(cycloocten)2Cl wurden mit 500 mg Harz A in Benzol
(20 Stunden bei 25° C) umgesetzt. Das fixierte Ir-Produkt ist vermutlich an zwei oder drei -P(C6H1-)o-Grupp en durch
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Analogie mit entsprechenden homogenen Katalysatoren gebunden. Beispiel IV ■
Herstellung von fixiertem Rutheniumkatalysator:
a) Entsprechend der Arbeitsweise von Rose und Wilkinson /J. Chem. Sog. (A), 1791 (1970)7 wurde zunächst das
Gruppenanion ^RucGl^.^7 ~ durch Reduktion von RuCl^-hydrat
in Methanol über Platinmohr hergestellt. Sodann wurden 0,2 mMol /Rucöl^2" in 85 ml Methanol mit 2 g Harz A
bei Raumtemperatur 3 Tage lang zur Umsetzung gebracht. Der Rücklauf eines Teiles der Reaktionsmischung zeigte,
dass die Reaktion durch. Erhitzen beschleunigt wurde.
b) Harz A + RuCl2(DMSO)4 —>
Harz-RuCl2(DMS0)2 + 2DMSO
500 mg RuOl2(DMSO), wobei DMSO DimethylsuIfoxid darstellt,
hergestellt nach einer Methode von Evans, Spencer, Wilkinson und Dalton (J. Chem. Soc, 204 (1973), wurde am Rückflusskühler
mit 150 mg Harz A in Toluol zur Reaktion gebracht,
um den fixierten Rutheniumkatalysator entsprechend der obigen Gleichung herzustellen. Es war schwierig, den nicht
reagierten Teil von RuCl2(DMSO)4VOm Harzprodukt durch
übliche Waschung nach der Filtration zu entfernen, aber diese Trennung liess sich befriedigend durch Soxhlet-Extraktion
mit Äthanol vervollständigen. Ein Vergleich der Infrarot-Spektroskopiewerte des Harzprodukts mit denen des
Komplexes RuCI2CDMSO)2P(Ca)5 bestätigte, dass das Produkt
das fixierte komplexe Harz-RuCl2(DMS0)2 war. Dieser Katalysator
ist nur massig wirksam bei der Förderung des D2-Ithanolaustauschs.
Die Verfahren nach den Beispielen Π bis IVergeben fixierte
Komplexe. Wenn jedoch die Ausgangsstoffe metallisches Rhodium enthalten oder wenn Rhodium- und Rutheniumtriehloridhydrate
mit dem Harz verwendet werden, ergibt sich eine gewisse Ablagerung von Rh- oder Ru-Metalle auf dem Harz.
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Beispiel V
HD + H2O ^Z>
H2 + HDO
HD + EOH ^=^H2 + EOD, wobei EOH ein Alkohol ist.
a) Die Werte des D^C^cOH-Austauschs wurden für jeden der
fixierten Katalysatoren nach Beispiel II bisIV gemessen.
Bei typischen Versuchen des D-Äthanol-Aus tausche wurde eine bestimmte Gewichtsmenge des Katalysators (etwa 100 mg) in
20 ml schnell gerührtem trockenem und entgastem Äthanol unter 73 ml D^-Gas bei einem Partialdruck von 660 Torr
suspendiert. Es ergaben sich folgende Werte:
Katalysator Start-Metallkomplex Werte (χ1Ο^), Mol
DVg Trockenkatalyssfcor
II(a) /Tc2H4) 2EhCl72 23,5++-
II(b) (C10H12)Eh2Cl2 12,6
II(c) (C2H4)2-fih-acetylacetonat 3»5
II (d) ZEh(CO) 2Cl72 0
III ZTCgH14) 2IrCi72 6,0
IV ZSu1-CW2- 0,3
+) enthielt etwas Eh-Meta11
+' HCl zugesetzt zur Verdrängung des Acetylacetonats
Die Werte beziehen sich auf Gewich.tseinh.eit des fixierten
Katalysators, welcher hauptsächlich, aus Harz A bestand.
Die meisten Versuchsaustauschreaktionen wurden zwischen D2
und Äthanol durchgeführt, um die vorteilhaft höhere Gaslöslichkeit in diesem Lösungsmittel im Vergleich zu Wasser
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auszunutzen; Die relativen Wirksamkeiten der fixierten Katalysatoren,
pro Äquivalent des Metalls, waren qualitativ:
Iridium ;>. Rhodium ^>
Ruthenium.
Die fixierten Katalysatoren sind allgemein nützlich zur Durchführung des H-D-Austauschs zwischen Wasserstoff enthaltenden
Gasströmen und Wasser oder alkoholischen flüssigkeiten.
b) Muster von fixierten Katalysatoren nach den Arbeitsweisen der Beispiele Ilbis IV wurden zur D-Anreicherung unter Verwendung
von Wasser und Alkohol hergestellt.Diese Muster
stammten aus Massen, welche unterschiedlich sind gegenüber denen, für welche die Resultate in Tabelle I angegeben sind.
Zum Deuteriumaustausch in Wasser wurde das Standardverfahren zum D-Äthanolaustausch angewandt, wobei anstelle des
Alkohols Wasser verwendet wurde. Die Austauschwerte für diese Reaktionen sind in Tabelle II angegeben:
a b e 1 1 e II
Katalysator | Start-Metall | Werte des Dpj-AUBtauschs (x10 ), |
Nr. | komplex | Mol DVg Trockenkatalysator |
in H2O in Äthanol | ||
Ha | Z(C2H4)2Rhci72 | 76,0 1700 |
Hb | (C10H12)Rh2Ol2 | 105,0 25,4 |
lic | (C2H4)2Rh-acetyl- | 8,3 6,9 |
acetonat | ||
III | ZlCoH..)ρ IrCl7p | 11,4 |
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wie homogene Katalysatoren katalysieren die erfindungsgemässen
Übergangsmetallkatalysatoren Hydrierung, HydroformulieEung und Polyme.risationsreaktionen. Zum Beispiel:
a) Olefin in Alkan
ECH-GH2 + H2 ^ ECH2CH3
b) Olefin in Aldehyd.
RCH=CH2 +H2+CO y ECH2CH2CHO
wobei E einen Alkylrest bedeutet.
Der nach dem Verfahren von Beispiel lic hergestellte Katalysator
bewirkte die Hydrierung von 1-Buten in einem Betrag von 1,9 x 10"' Mol/g des Katalysators pro Sekunde. Die Zugabe
von wasserfreiem HCl in Überschuss steigerte den Effekt der Hydrierung auf 13 »5 x 10"' Mol/g, entsprechend einem Faktor
von etwa 7· Die Versuchsbedingungen waren folgende: Katalysator: 80 mg, Lösungsmittel: 20 ml Äthanol; Wasserstoff:
680 Torr; 1-Buten: 0,2 mMol; HCl (wenn zugegeben): 0,09 mMol; Zellenvolumen: 120 ml.
Im vorhergehenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben. Es ist für den Fachmann selbstverständlich, dass andere Metallkomplexe der Gruppe VIII erfindungsgemäss
fixiert werden können und dass andere Austauschreaktionen mit den erfindungsgemäss hergestellten Katalysatoren
durchgeführt werden können, ohne den Eahmen der Erfindung zu überschreiten.
Patentansprüche:
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Claims (1)
- Patentansprüche1. Verfahren zur Herstellung von fixierten Übergangsmetall-Katalysatoren, dadurch gekennzeichnet, dass ein diphenylphosphinomethyliertes Polystyrol der allgemeinen Formel:—f ηmit einem homogenen Übergangsmetall-Katalysatorkomplex zur Reaktion gebracht wird, wobei das Übergangsmetall aus der Gruppe Ruthenium, Rhodium und Iridium ausgewählt ist und der Komplex einen Liganden enthält, der schwächer als das an daß Harz angelagerte -P(CgHc)O und durch dieses verdrängbar ist.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ligand in dem Metallkatalysatorkomplex ein Olefin oder Kohlenmonoxid ist.3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der homogene Katalysator γ-Dichlortetraäthylendirhodium ist.4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der homogene Katalysator γ-Dichlordicyclopentadienrhodium ist.Verfahren nach Ansprubh Λ , dadurch gekennzeichnet, dass der homogene Katalysator Bis-(äthylen)-riiodiumacetyl-309886/1160acetonat ist, wobei das Acetylacetonatprodukt mit HCl
zur Bildung des fixierten Katalysators behandelt wird.6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der homogene Katalysator dimeres Rhodiumcarbonylchlorid ist.7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der homogene Katalysator Iridiumdicyclooctenchlorid ist.8. Verwendung eines fixierten Übergangsmetall-Katalysators nach Anspruch 1, 2 oder 3 zum katalytischen H-D-Austausch zwischen Wasserstoff enthaltenden Gasströmen und Flüssigkeiten wie Wasser oder Alkohole.9· Verwendung eines fixierten Ubergangsmetall-Katalysators nach Anspruch 4-, 5 oder 6 zum katalytischen H-D-Austausch zwischen Wasserstoff enthaltenden Gasströmen und Flüssigkeiten wie Wasser oder Alkohole.Der Patentanwalt309886/1160
Applications Claiming Priority (1)
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