DE2513927A1 - Verfahren zur herstellung von alpha- olefinen, der hierzu verwendete katalysator und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Verfahren zur herstellung von alpha- olefinen, der hierzu verwendete katalysator und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Dr. F. Zumstein ssn. - Dr. E. Ascm-nr - Or. R. Koenigsberger
Dipl.-Phys. R. Holzbaue." - Dipl. Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.
TELEX 529979 TELEGRAMME: ZUMPAT
KTO.-NR. 397S97, BLZ 70030600
8 MÜNCHEN 2.
Case 707 12/Pi
SFAMPROGETII S.ρ.Α., Mailand, Italien
Verfahren zur Herstellung von a-01efinen, der hierzu verwendete
Katalysator und Verfahren zu seiner Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Polymerisation von a-01efinen, insbesondere von Äthylen, mittels eines
Katalysatorsystems, das aus einem Aluminiumalkyl und der Kombination
eines Übergangsmetallchlorids und von Titantrichlorid, fein dispergiert auf einem Material mit großer Oberfläche, gebildet
wird; darüberhinaus betrifft sie den verwendeten Katalysator und auch das Verfahren zur Herstellung eines derartigen
Katalysators.
Es ist bekannt, daß Titanhalogenide, die vom katalytischen
Standpunkt gesehen, aktiv sind, bei der Niederdruckpolymerisation von a-Olefinen verwendet werden und durch Reduktion von
Titantetrahalogeniden mit Aluminiumalkyl- oder-alkylhalogenid-VecbLndungen
hergestellt werden. Die Umsetzung wird im allgemeinen unter einer inerten Atmosphäre und in Anwesenheit eines inerten
Lösungsmittels durchgeführt. Der so erhaltene Katalysator
wird anschließend zusammen mit Metallalkylverbindungen zur Polymerisation von a-01efinen in Suspension in einem organischen
lösunginittel unter geeigneten Monomerdrücken verwendet.
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Diese Titanhalogenide sind jedoch durch die Anwesenheit von Aluminiumverbindungen
verunreinigt und weisen keine sehr große katalytische Wirksamkeit auf, so daß das erhaltene Polymere ausgedehnten
Waschoperationen unterzogen werden muß, um Katalysatorreste zu entfernen.
Kürzlich wurden Verfahren vorgeschlagen, wonach Titanhalogenide von anorganischen Substanzen getragen werden, so daß Polymerisationskatalysatoren
mit verbesserter Wirksamkeit erhalten werden. Beispielsweise wurden Träger,ausgewählt aus Magnesiumoxid
oder -hydroxid,verwendet; jedoch sei festgestellt, daß die katalytische
Aktivität der Titanverbindung die von diesen Materialien getragen wird, sich je nach der chemischen Uatür deren
Oberfläche stark verändert. Daher müssen derartige Verbindungen häufig zur Verbesserung ihrer Wirksamkeit Behandlungen mit Grignard-Reagentien,
Aluminiumalkylverbindungen oder Wasserstoff unterzogen werden.
Ein Gegenstand der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Polymerisation
von a-01efinen mittels eines Katalysatorsystems gebildet,
das eine hohe Aktivität aufweist und keine vorausgehende Behandlung des Trägers erfordert.
Dieses Katalysatorsystem, das einen weiteren Gegenstand der Erfindung
darstellt, besteht aus swei Komponenten, d.h.:
1) einer Aluminiumverbindung, ausgewählt aus den Verbindungen
der Formel AlE, oder AlRxY,,.^, worin E ein Alkyl-1 Aryl-
oder Cycloalkylrest ist, X Halogen oder H ist und χ eine
Zahl von 1 bis 2 dareteilt und
2) einem Produkt, das sieh von der Kombination eines ÜfeergangsmetallchlGrias
mit SitantriChlorid ableitet 9 wobei eine derartige
Kombination (oder Association} Ie. fein dispergiertem
Zustand auf einem-Material mit einer großen- Oberfläche vor-»-
liegt.
Diese Assoziationen sind ciiemiscli ssfor stabil3 da Sitantrichlo-'
rid und Übergangsmetallchlorid die gleiche Struktur (isostrukturell)
aufweisen. Earüberhinaus enthalten sie Titan im optimalen Wertigkeitszustand, um die beste katalytische Aktivität zu entfalten.
. .
Sie werden nach, einem Verfahren hergestellt, das einen dritten
Gegenstand der Erfindung darstellen und das darin besteht, den vorher durch eine thermische Behandlung dehydratisierten bzw.
entwässerten Träger mit einer niedrigwertigen Übergangsmetallverbindung,
insbesondere mit einer Verbindung der Wertigkeit O, wie z. B. einem Carbonyl-Metallderivat, gelöst in einem Kohlenwasserstofflösungsmittel
und anschließend in Titantetrachlorid zu imprägnieren, bzw. zu tränken, worauf schließlich der
Überschuß des letzteren von dem Träger entfernt wird.
Die Übergangsmetallverbindung im Wertigkeitszustand O kann M-ganden
enthalten, die vom Carbonyl-Typ verschieden sind, beispielsweise
Allyl-, Cyclopentadienyl-, Olefin-, Nitrosylgruppen
Während des Verfahrens werden flüchtige Substanzen entwickelt, insbesondere im Falle von Metallcarbonylverbindungen, Kohlenmonoxid
und die Oxidation des Metalls und die gleichzeitige Reduktion von Titantetrachlorid zum Trichlorid treten gemäß der
Reaktionsgleichung
M (CO) + η TiCl4 >
MCl^n TiCl3 + ρ CO
auf, worin ρ die Anzahl der Carbonyle bedeutet und η den vom
Übergangsmetall M während seiner Oxidation durch Titantetrachlorid eingenommenen Wertigkeitszustand bedeutet.
Das als Träger für die vorstehende Reaktion verwendete Material wird aus den Materialien mit großer Oberfläche ausgewählt, insbesondere
aus den Oxiden der Elemente die zu den Gruppen II bis IV des periodischen Systems der Elemente gehören, wohingegen das
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Übergangsmetall vorzugsweise ausgewählt wird aus Y, Mn, Pe, Co
und in einer Menge von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Trägergewicht, vorzugsweise von 1 bis 3 Gewichtsprozent, verwendet
wird. . .
Insbesondere wird das als Träger verwendete Material unter Siliciumdioxid, Siliciumdioxid-Aluminiumoxid, ZnOp (bzw.
ZnO, ZrO2, SnO2), MnO (bzw. MgO),TiO2, CaO. Wie vorstehend ausgeführt,
sind erfindungsgemäß keine Vorbehandlungen notwendig, da die Aktivität des erfindungsgemäßen Katalysatorsystems groß und
homogen ist, selbst, wenn die chemische Natur des Trägers sich ändert. Jedoch können derartige Träger auch Torbehandlungen mit
Grignard-Reagentien oder Aluminiumalkylhalogeniden unterzogen werden,
um deren Leistungsfähigkeit noch weiter zu verbessern.
Die bei der Polymerisation beobachteten Aktivitäten liegen über denen, die man mit Trägern erhält, die lediglich mit TiCl. behandelt
wurden, wenn die anderen Bedingungen gleich sind.
Diese Katalysatoren zeigen ein gutes Verhalten in Anwesenheit von Wasserstoff und im. Falle der Äthylen-Polymerisation ergeben
sie eine enge Molekulargewichtsverteilung.
Die Polymerisationsreaktion wird nach üblichen Verfahren bei Temperaturen von 0 bis 200 C
50 Atmosphären durchgeführt.
Temperaturen von 0 bis 2000C und Drücken im Bereich von 0,1 bis
Die Polymerisation wird im Stahlautoklaven, ausgerüstet mit · einem Ankerrührer, durchgeführt, wenn bei Drücken über dem atmosphärischen
Druck gearbeitet wird. Der Katalysator wird zusammen mit dem lösungsmittel und der Metallalkylverbindung eingebracht
.
Der Autoklav wird durch einen Thermostaten auf der Polymerisationstemperatur
gehalten und II·? und anschließend Äthylen werden
unter Druck in dem gewünschten Druckverhältnis eingebracht. Die
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Umsetzung kann durch Zusatz von Alkohol in den Autoklaven gestoppt
werden.
Unter spezieller Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele wird das lösungsmittel, die Organometallverbindung (Al(-0,Hq), bzw.
AlCi-C.Hg)^ in einer Konzentration von 0,2 Volumenprozent) und die
Assoziation der Übergangselementverbindungen, vorausgehend, wie ausgeführt, hergestellt, in den Autoklaven eingeführt, der durch
einen Shermostaten auf 850C gehalten wird. Der Äthylendruck wurde
während des gesamten Versuchs, der während 6 Stunden durchgeführt wurde, konstant gehalten. Die in den nachfolgenden Beispielen be-Bchriebenen
Arbeitsweisen beziehen sich auf diese Arbeitsbedingungen (Standard Polymerisation). Die erhaltenen Polymeren werden
im Vakuum auf konstantes Gewicht getrocknet, bevor die Polymerausbeuten
bewertet werden.
Die folgenden Beispiele dienen jedoch lediglich zur Erläuterung der Erfindung ohne sie zu beschränken.
100 g SiOp/AlpO,, SA = 400 m2/g ("low Alumina") wurden in siedendem
Xylol unter Rückfluß erwärmt, um Wasser azeotrop zu entfernen. Das getrocknete, unter Stickstoff filtrierte und mit
Hexan gewaschene Produkt wurde mit 3 g Tetracarbonylvanadiumcyclopentadienyl,
V(CO)4Cp, in 200 ml Hexan versetzt. Dieses lösungsmittel wurde im Rotationsverdampfer entfernt und das
luftempfindliche gelbe Material wurde nach Suspendieren in 200 ml TiCl. 6 Stunden unter Rückfluß erwärmt. Während dieser Zeit
wurde das Material dunkelviolett. Es wurde dann filtriert, nach und nach mit Hexan gewaschen und im Vakuum getrocknet. Die Analyse
zeigte folgende Zusammensetzung:
Ti 7,30 £
V 0,40 £
Cl 12,54 $
240 mg dieses Katalysators wurden bei der Äthylenpolymerisation
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bei Partialdrücken von H2 = 13 atm und C2H, = 8 a"fcm verwendet
Man erhielt 500 g Polyäthylen mit einem MP21 g = 1;
= 4,6 dl/g, das 36 ppm Ti + V enthielt, worin Ti etwa .33 ppm
betrug.
Das gleiche wie in Beispiel 1 verwendete SiO2-Al2O, wurde unter
den gleichen Bedingungen lediglich allein mit Titantetrachlorid unter Rückfluß erwärmt. Nach der gleichen Behandlung ergab das
weiße, luftempfindliche Material folgende Analysenergebnisse:
Ti 4,10 io
Cl 7,98 io
224 mg dieses Katalysators ergaben unter Polymerisationsbedingungen,
die denen von Beispiel 1 gleich waren, 60 g Polymeres
mit einem MP21 g = 0,2, [7 !^alin = 6'6 dl/s mit einem
halt von 150 ppm.
25 g SiO2 (>99 io), SA = 400 m /g wurden durch eine azeotrope
Destillation mit Xylol entsprechend dem vorhergehenden Beispiel entwässert, mit 0,65 g Y(CO)4Cp in 50 ml Hexan behandelt und anschließend
unter Rückfluß erwärmt und schließlich nach Entfernung des Kohlenwasserstofflösungsmittels in 50 ml TiCl. nach
der in Beispiel 1 beschriebenen Technik und während der gleichen Zeitdauer behandelt. Die Parbe des so erhaltenen Katalysators
war dunkelviolett. Die Analyse zeigte folgende Zusammensetzung:
Ti 4,65 $
V 0,40 io
Cl 8,24 5ί
105 mg des so erhaltenen Katalysators wurden für eine Standard-Polymerisation
bei relativen Drücken H2/C2H. = 10/10 atm verwendet.
Man erhielt 102 g Polyäthylen mit einem MP21 g = 0,3
803840/100?
und einem Ti + Y-Gehalt von 52 ppm, worin Ti 46 ppm betrug.
85 g SiOp/AlpO, der in den Beispielen 1 und 2 verwendeten Art
wurden in einem Muffelofen 24 Stunden "bei 40O0C getrocknet und
anschließend mit 4,0 g Mn2(CO)1Q in 200 ml Hexan imprägniert.
Das Lösungsmittel wurde am Rotationsverdampfer entfernt und der orange-gelbe Feststoff wurde 6 Stunden in siedendem TiCl. unter
Rückfluß behandelt. Das filtrierte violette Material wurde mit Hexan gewaschen und im Vakuum getrocknet und zeigte folgende
Analyse:
Ti 5,73 $>
Mn 1,35 #
Cl 12,60 #
169 mg dieses Produkts wurden bei Standard-Polymerisationsuntersuchungen
bei 13 atm Hp und 8 atm CpH. untersucht und ergaben
151 g Polyäthylen mit einem MF2 16 = 0,350, MF21 6 = 15,684,
MF21 6/MF2 16 = 44, [^] = 3,3 dl/g und 79 ppm an Mn + Ti, worin
Ti 64 ppm betrug.
416 mg des in Beispiel 4 beschriebenen Produkts wurden bei einer Standard-Polymerisation bei relativen Drücken von Hp/CpH, = 10/5
atm verwendet und ergaben 55 g Polyäthylen mit einem MF2 ,^ =
5,16, MP21 )6 = 211,6, MP21j6/MP2>16 = 41, [ijl^^ln = 1^ dl/g
und einem Ti + Mn-Gehalt von 229 ppm, worin Ti 185 ppm betrug.
260 mg des in Beispiel 4 verwendeten Produkts wurden für eine Standard-Polymerisation verwendet, wobei jedoch Al(I-C^Hq),
durch AlEt2Cl ersetzt wurde und bei relativen Drücken von H2/C2H
= 10/10 atm gearbeitet wurde. Man erhielt 120 g Polymeres mit einem MF? ,, = 0,135, MFp1 fi = 8,727, MFp1 ./MF9 Λ(. = 64,
^ = ^,5 dl/g und einem Ti + Mn-Gehalt von 153 ppm, wo-
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rin Ti 124 ppm betrug.
25 g feinpulverisiertes MgO, über Macht in einem Muffelofen bei
4000C getrocknet, wurden mit 1,5g Co2(C0)g in 100 ml Hexan umgesetzt.
Das Lösungsmittel wurde anschließend im Rotationsverdampfer entfernt und der Rückstand 8 Stunden unter Stickstoff in
100 ml TiCl. unter Rückfluß erwärmt. Man filtrierte heiß ein
violettes Pulver, wusch nach und nach mit Hexan und trocknete unter Vakuum und erhielt folgende Zusammensetzung:
Ti 3,70 io
Co 1,55 i»
Cl 31,15 $
31 mg des so erhaltenen Produkts wurden bei einer Standard-Polymerisation
bei 10 atm H2 und 10 atm C2H. verwendet. Man erhielt
250 g Polyäthylen mit einem MF2 1g = 0,869, MI21 g = 34,97,
MF21f6/MP2,16 = 40'2' .^Decalin = 1 '92 d1^
Gehalt von 6,5 ppm, worin Ti 4,6 ppm betrug.
Eine Probe von handelsüblichem MgO wurde in Wasser 4 Stunden bei 800C hydratisiert und anschließend 24 Stunden in einem Muffelofen
bei 4000C getrocknet. 20 mg des so behandelten MgO wurden
mit 1,2 g V(CO).Cp in 100 ml Hexan imprägniert und das Lösungsmittel
wurde im Rotationsverdampfer entfernt. Der trockene Rückstand wurde anschließend 4 Stunden in 100 ml siedendem TiCl.
unter Rückfluß behandelt. Man filtrierte ein violettes Produkt, das gewaschen und im Vakuum getrocknet wurde und folgende Zusammensetzung
aufwies:
Ti 3,31 io
V 0,58 $>
Cl 35,23 #
20 mg dieses Katalysators wurden bei einer Standard-Polymerisation
bei relativen Drücken von H2/C2H. = 10/10 atm verwendet.
5098 40/1007
Man erhielt 235 g Polyäthylen mit einem MF2 16 = 1,203, MF21 g =
49,03, MF21 6/MF2 16 = 40,8, [^ji^alin = 1 »90 dl/g» das ^'^'ppm
Ti + V enthielt, worin Ti 2,8 ppm betrug.
20 g MgO, behandelt gemäß der Arbeitsweise von Beispiel 8 ,wurden
4 Stunden in 100 ml siedendem TiCl- unter Rückfluß behandelt. Man filtrierte einen weißen Feststoff, der gewaschen wurde und im
Vakuum getrocknet wurde und folgende Zusammensetzung aufwies:
Ti 1,43 i>
Cl 31,62 56
42 mg des Katalysators wurden zu Vergleichszwecken bei einer
Standard-Polymerisation verwendet, die wie in Beispiel 8 beschrieben, durchgeführt wurde. Man erhielt 81 g Polyäthylen mit
=2,73 dl/g und einem Ti-Gehalt von 7,4 ppm.
25 g SiO2 der gleichen Art wie in Beispiel 3 verwendet, wurden
durch azeotrope Destillation mit Xylol entwässert und mit 2 ml AlEtCl2 in 100 ml Hexan umgesetzt. Die Suspension wurde anschließend
mit 1,0 g V(CO).Cp versetzt und anschließend wurde das Lösungsmittel im Rotationsverdampfer entfernt. Das so erhaltene
Material wurde 6 Stunden unter Rückfluß mit siedendem TiCl. behandelt. Nach den Filtrieren, Waschen mit Hexan und Trocknen
im Vakuum hatte das violette Produkt folgende Zusammensetzung:
Ti 2,97 ?έ
V 0,86 #
Al 1,90 #
Cl 8,59 #
192 mg des so erhaltenen Katalysators wurden bei einer Standard-Polymerisation
bei relativen Drücken von H2/C2H. = 10/10 atm
verwendet. Man erhielt 96 g Polyäthylen mit einem MF2 ^ = 0,335,
1 6 = 14,1, MF21 6/MF2 16 = 42,1, [^] = 2,63 dl/g und einem
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Ti + V-Gehalt von 80 ppm, worin Ti 60 ppm "betrug.
25 g SiOp-AIpO, der gleichen wie in Beispiel 1 verwendeten Art,
getrocknet eine Nacht im Ofen bei 20O0C, wurde mit einer ätherischen
lösung von Chlorbutyl-Grignard (10 ml, Lösung 1/1 ml) in 10 ml Hexan behandelt. Das lösungsmittel wurde im Rotationsverdampfer
entfernt und anschließend wurden 1,2 g Y(CO)4Cp in 100 ml
Hexan zugesetzt. Uach dem Entfernen des Lösungsmittels durch Verdampfen wurde das trockene Produkt 6 Stunden unter Rückfluß
in siedendem TiCl. behandelt, schließlich filtriert, gewaschen
und getrocknet, wobei man einen violetten Feststoff der folgenden Zusammensetzung erhielt:
Ti 9,20 $
V 0,74 $>
Mg 1,07 fo
Cl 21,85 $>
212 mg dieses Produkts wurden bei einer Standard-Polymerisation mit 7,5 atm Äthylen und 15 atm H2 verwendet und ergaben 325 g
Polyäthylen mit einem MF2 1g = 1,014, MF21 g = 45,44, MF21 6/
MF2 16 = 45,44, [^] = 2,0 dl/g und einem Gehalt von 65 ppm Ti
+ V, worin Ti 61 ppm betrug.
509840/1007
Claims (12)
- PatentansprücheVerfahren zur Polymerisation von a-01efinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung in Anwesenheit eines Katalysatorsystems durchgeführt wird, das "besteht aus einer Aluminiumverbindung, ausgewählt aus denen der Formeln AlR, und AlR_r~ , worin R ein Alkyl-, Aryl- oder Cycloalkylrest ist, χ eine Zahl von 1 "bis 2 darstellt, Y Halogen oder Wasserstoff "bedeutet und aus dem Kombinationsprodukt eines Übergangsmetallchlorids mit Titantrichlorid, getragen auf einem Material mit großer Oberfläche.
- 2. Verfahren zur Polymerisation von a-Olefinen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit großer Oberfläche ausgewählt wird aus den Oxiden der Elemente, die zu den Gruppen II bis IV des Periodensystems der Elemente gehören.
- 3. Verfahren zur Polymerisation von oc-01efinen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsmetall in einer Menge von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent und vorzugsweise 1 bis 3 #, bezogen auf das Trägergewicht, vorliegt.
- 4. Verfahren zur Polymerisation von a-01efinen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsmetall ausgewählt wird aus V, Mn, Co und Fe.
- 5. Verfahren zur Polymerisation von oc-Olefinen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Olefin Äthylen eingesetzt wird.
- 6. Verfahren zur Polymerisation von a-01efinen gemäß dem vorhergehenden Anspruch bzw. einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung in Anwesenheit eines Kohlenwasserstofflösungsmittels durchgeführt wird.
- 7. Verfahren zur Polymerisation von a-01efinen gemäß einem der5098^0/ 1007vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung hei Temperaturen von O his 2OO°C, vorzugsweise von 20 bis 12O0C und bei Drücken von 0,1 bis 50 atm durchgeführt wird.
- 8. Katalysator zur Polymerisation von a-01efinen, bestehend ausa) einer Aluminiumverbindung der Formeln AlR, oder Al Y~ , worin R ein Alkyl-, Aryl- oder Cycloalkylrest ist, Y Halogen oder Wasserstoff bedeutet und χ eine Zahl von.1 bis 2 darstellt;b)einem Kombinationsprodukt eines Übergangsmetallchlorids und Titantrichlorid, feindispergiert auf einem Material mit großer Oberfläche.
- 9. Katalysator zur Polymerisation von cc-Olefinen gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit großer Oberfläche ausgewählt wird aus den Oxiden der Elemente, die zu den Gruppen II bis IV des Periodensystems der Elemente gehören.
- 10. Katalysator zur Polymerisation von a-01efinen gemäß einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmetallverbindung im Bereich von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Trägergewicht und vorzugsweise von 1 bis 3 Gewichtsprozent vorliegt.
- 11. Katalysator zur Polymerisation von cc-Olefinen gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsmetall ausgewählt wird aus V, Mn, Co und Fe.
- 12. Verfahren zur Herstellung des Bestandteils b) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man auf dem Träger durch Imprägnieren mit lösungsmitteln eine Übergangsmetallverbindung im niedrigsten Valenz- bzw. Wertigkeitszustand aufbringt, anschließend in Titantetraehlorid unter Rückfluß erwärmt und schließlich den Überschuß des letzteren entfernt .509840/ 1 00713· Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Derivate von Übergangsmetallen im O-wertigen Zustand als solche oder in Komplexform verwendet werden.14· Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die O-wertige Übergangsmetallverbindung aus den Carhony!derivaten gewählt wird.509840/1007ORIGINAL IMSPECTED
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