DE2551598B1 - Verfahren zur Herstellung von Alkanphosphonsaeureestern - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Alkanphosphonsaeureestern

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DE2551598B1 DE19752551598 DE2551598A DE2551598B1 DE 2551598 B1 DE2551598 B1 DE 2551598B1 DE 19752551598 DE19752551598 DE 19752551598 DE 2551598 A DE2551598 A DE 2551598A DE 2551598 B1 DE2551598 B1 DE 2551598B1
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    • C07F9/02Phosphorus compounds
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    • C07F9/38Phosphonic acids [RP(=O)(OH)2]; Thiophosphonic acids ; [RP(=X1)(X2H)2(X1, X2 are each independently O, S or Se)]
    • C07F9/40Esters thereof
    • C07F9/4003Esters thereof the acid moiety containing a substituent or a structure which is considered as characteristic
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Description

O OH
in der R1 Alkylgruppen mit 4 bis 22 C-Atomen und R2 Alkylgruppen mit 1 bis 22 C-Atomen bedeuten, dadurch gekennzeichnet, daßmanMonoalkylphosphite der allgemeinen Formel (H)
OR2
/
HP
Ii \
O OH
(H)
in der R2 die obengenannte Bedeutung hat, mit schwefelfreien oder nahezu schwefelfreien «-Olefinen, die 4 bis 22 C-Atome enthalten, in Gegenwart von Radikalbiktnem oder UV-Licht bei Temperaturen von 150 bis 200° C umsetzt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Monoalkylphosphite auf ein Molekül 0,9 bis IA insbesondere 1,1 bis 1,3 Estergruppen enthalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die a-OIefine in stöchiometrischer Menge oder in geringem Oberschuß, etwa bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf die stöchiometrische Menge, einsetzt
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß man die Umsetzung unter Inertgasatmosphire durchführt
5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß man als Katalysator Di-tertbutylperojdd verwendet
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß man aus dem Reaktionsgemisch den Alkanphosphonsäuremonoalkylester der Formel (I) isoliert
7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß man das Reaktionsgemisch hydrolytisch in Alkanphosphonsäure überführt.
Es ist bereits beschrieben (vgl. DT-OS 19 63 014), die Ausbeuten — bei gleichzeitiger Verkürzung der Reaktionszeiten — dadurch zu erhöhen, daß man schwefelfreie Olefine einsetzt und bei Temperaturen zwischen 150 und 2000C arbeitet Dieses Verfahren bezieht sich jedoch nur auf Diallkylphosphite, aus denen Alkanphosphonsäurediester erhalten werden. Eine Erweiterung dieses Verfahrens auf Monoalkylphosphite oder gar die phosphorige Säure erschien angesichts der erforderlichen hohen Temperaturen nicht möglich, nachdem zu erwarten war, daß Monoalkylphosphite und phosphorige Säure, im Gegensatz zu Dialkylphosphiten, bei Temperaturen ab 1500C disproportionieren bzw. sich zersetzen (vgL zum Beispiel DT-OS 21 21 832, US-Patent 2834 797, L. Hackspill et al„ Chim. Ind.27 [1932], 453—473), z.B. unter Bildung von Alkyläthern und Gemischen von Kohlenwasserstoffen, wie dies auch von sauren Estern der Phosphorsäure (vgl. D.E Pearson, J.Chem.Soc,Chem.Commun. 1974,
397) bekannt ist
Insbesondere aber war zu erwarten, daß die als Radikalbildner eingesetzten Peroxide in dem sauren Reaktionsmedium und in Gegenwart der als reduzierend bekannten phosphorigen Säure bei Temperaturen oberhalb 1500C schnell zerstört würden und damit ihre initiierende Wirksamkeit nicht wurden entfalten können (vgL Houben — Weyl, Methoden der Org. Chemie, Bd. VIII [1952], S. 66-67,73-74).
Diesem Stand der Technik gegenüber war es daher um so überraschender, daß sich Monoalkylphosphite auch und gerade bei Temperaturen oberhalb 1500C und mit weit besserem Erfolg mit Olefinen zu Alkanphosphonsäure-monoalkylestern umsetzen lassen.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Alkanphosphonsäure-monoalkylestern der allgemeinen Formel (I)
Die Anlagerung von «-Olefinen an Dialkylphosphite, Monoalkylphosphite und auch phosphorige Säure in Gegenwart von Radikalbikinern ist bekannt beispielsweise aus dem US-Pttent 29 57 931. Dieses Verfahren, das bei Reaktionstemperaturen um 1000C bis etwa 1500C durchgeführt wird, benötigt lange Reaktionszeiten und führt zu unbefriedigenden Ausbeuten. Diese betragen für die Phosphite 70 bis 75% an Alkanverbindungen, für die phosphorige Säure jedoch nur etwa 25% an reiner Alkanphosphonsäure.
Insgesamt sind diese Ausbeuten für technische Zwecke unzureichend, insbesondere führen sie bei der Aufarbeitung der Reaktionsprodukte zu Trennproblemen.
OR2
R1 —P
Il \
O OH
in der R1 Alkylgruppen mit 4 bis 22 C-Atomen und R2 Alkylgruppen mit 1 bis 22 C-Atomen bedeuten, das dadurch gekennzeichnet ist daß man Monoalkylphosphite der allgemeinen Formel (II)
OR2
HP
Il \
O OH
in der R2 die obengenannte Bedeutung hat mit schwefelfreien oder nahezu schwefelfreien a-Olefinen, die 4 bis 22 C-Atome enthalten, in Gegenwart von Radikalbildnern oder UV-Licht bei Temperaturen von 150 bis 200° C, vorzugsweise 160 bis 1800C, umsetzt
Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Addition der «-Olefine in mindestens 95%iger Ausbeute zu den 1-Isomeren, während die 2-Isomeren nur in untergeordnetem Maße gebildet werden. Ebenso werden die bei analogen Reaktionen oft in größerer Menge entstehenden Telomerisate hier im allgemeinen nur in untergeordneten Mengen von maximal 1 bis 2 Gew.-% gebildet
Es ist für das erfindungsgemäße Verfahren ohne
Bedeutung, daß die Monoalkylphosphite bei den angewandten Reaktionstemperaturen und auch schon bei Raumtemperatur im allgemeinen nicht ausschließlich als solche, sondern in einem Gleichgewicht mit den entsprechenden Dialkylphosphiten und phosphoriger Säure vorliegen. Man kann diese »Monophosphite« z. B. in an sich bekannter Weise durch Verestern von phosphoriger Säure mit einem entsprechenden Alkanol erhalten, vorzugsweise in einem als Schleppmittel für die destillative Entfernung des sich bildenden Wassers geeigneten Lösungsmittel, wie Benzol, Toluol, Xylol, oder einfacher durch Vermischen äquimolarer Mengen von phosphoriger Säure mit dem entsprechenden Dialkylphosphit Aufgrund des obengenannten Gleichgewichtes bei dem Ausgangsprodukt der Formel (H) erhält man bei dessen Umsetzung mit einem a-OIefin ein Gemisch von Alkanphosphonsäure-Derivaten, bestehend aus Alkanphosphonsäuremono- und -dialkylestern sowie Alkanphosphonsäure, welches sich in an sich bekannter Weise, z.B. durch Destillation oder chromatographisch trennen läßt und dessen Hauptkomponente der gewünschte Alkanphosphonsäure-monoalkylester ist Die Aufarbeitung eines derartigen Gemisches kann aber insbesondere auch in der Weise erfolgen, daß man das Reaktionsgemisch zunächst unter Kühlung mit Alkalien neutralisiert Die Bestandteile des neutralisierten Gemisches sind im wesentlichen die Alkalisalze der Alkanphosphonsäuren und der Alkanphosphonsäuremonoester, ferner die Alkanphosphonsäurediester. Hieraus können die Alkanphosphonsäurediester grundsätzlich durch Extraktion mit einem organischen Lösungsmittel abgetrennt werden. Die Alkalisalze der Alkanphosphonsäuren und der Alkanphosphonsäuremonoester können sodann aufgrund ihrer unterschiedlichen Löslichkeiten in Alkoholen, vorzugsweise in Methanol, isoliert werden.
Erfindungsgemäß ist es nicht erforderlich, von reinen »Monoalkylphosphiten« auszugehen, also von Produkten gemäß Formel (II), in denen im Durchschnitt auf ein Molekül exakt eine Estergruppe kommt. Es sind als Monoalkylphosphite vielmehr auch Gemische verwendbar, in denen mehr phosphorige Säure oder mehr Dialkylphosphit enthalten sein können, als einem »Monophosphit« entspricht Da jedoch die phosphorige Säure unter den Reaktionsbedingungen schwieriger umsetzbar ist, geht man vorteilhaft von solchen Gemischen aus, die auf ein Molekül etwa 0,9 bis 1,5, insbesondere 1,1 bis 1,3 Estergruppen enthalten.
Als Monoalkylphosphite für das erfindungsgemäße Verfahren kommen z. B. in Betracht:
MonomethylphosphitMonoäthylphosphit,
Mono-n-propylphosphit, Monoisobutylphosphit,
Mono-n-butylphosphitMono-n-hexylphosphit,
Mono-n-dodecylphosphit,
Mono-n-eicosylphosphit
Bevorzugt sind niedere (Ci-QJ-Alkylphosphite.
Die beim vorliegenden Verfahren eingesetzten «-Olefine enthalten 4 bis 22 C-Atome, vorzugsweise 4 bis 12 C-Atome. Beim vorliegenden Verfahren können nicht nur geradkettige «-Monoolefine verwendet werden, sondern auch isomere a-Monoolefine mit verzweigter Kette.
Beispiele für solche Olefine sind Buten-(1), Hexen-(l), Octen-^1), Dodecen-(1), Tetradecen-(l), Hexadecen-(l), Octadecen-(1), Heneicosen-(1), Docosen-(1), 2-Methylpenten-(l) und 2-Äthylhexen-(l). Auch Gemische solcher Olefine können eingesetzt werden. Sie werden im allgemeinen vorzugsweise in stöchiometrischer Menge oder in geringem Überschuß, etwa bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf die stöchiometrisch erforderliche Menge, eingesetzt.
Für den Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es entscheidend, daß das eingesetzte a-Monoolefin schwefelfrei oder nahezu schwefelfrei ist, worunter ein Gehalt an gebundenem Schwefel von weniger als etwa 0,002% zu verstehen ist. Es hat sich nämlich gezeigt, daß bereits ein Gehalt von etwa 0,02% an gebundenem Schwefel zu erheblichen Ausbeuteminderungen führt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet man vorteilhaft solche «-Olefine, die aufgrund ihres Herstellungsverfahrens von vornherein schwefelfrei sind. Ein solches Verfahren ist beispielsweise das sogenannte Ziegler- oder Mühlheimer-Verfahren, bei dem man Äthylen in Gegenwart von Katalysatoren, vor allem Aluminiumtriäthyl, zu geradkettigen a-Olefinen dimerisiert bzw. oligomerisiert Nach der gleichen Arbeitsweise könne auch verzweigte «-Olefine, wie beispielsweise 2-MethyI-penten-(l) und 2-Äthylhexen-(1), hergestellt werden, indem man beispielsweise Propen oder Isobutylen dimerisiert (vgl. F. A s i η g e r, »Chemie und Technologie der Monoolefine« [1957], besonders Seiten 178—180). Die Dimerisierung kann auch in anderer Weise vorgenommen werden, z. B. durch Katalyse mit Hilfe von Alkalimetallen. Es können natürlich auch a-Olefine als Ausgangsverbindungen eingesetzt werden, welche nach anderen bekannten Verfahren erhalten worden sind, beispielsweise durch Cracken von Erdöldestillaten oder Wachsen, durch Chlorwasserstoffabspaltung von endständig chlorierten Paraffinen oder durch Dehydratisierung von endständigen Alkoholen. Wesentlich ist lediglich, daß diese Olefine schwefelfrei oder praktisch schwefelfrei sind. Andernfalls muß der Schwefel durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch katalytische Entschwefelungen, vorzugsweise vollständig oder nahezu vollständig, entfernt werden.
Als Radikalbildner können beim vorliegenden Verfahren alle bekannten Radikalbildner verwendet werden. Beispiele hierfür sind
Ditert-butylperoxid.tert-Butylperoxybenzoat
2,5-Dimethyl-bis-2,5-(peroxybenzoat),
tert-Butylhydroperoxid, Dicumylperoxid und
Benzoylperoxid.
Die Radikalbildner kommen zur Anwendung, indem sie in der oder den Reaktionskomponente(n) gelöst werden, die in den Reaktionsraum eingegeben wird (werden). Es kann sich als notwendig erweisen, als Lösungsvermittler ein inertes Lösungsmittel zusätzlich einzusetzen.
Es kann aber auch der Radikalbildner zwar nicht im Olefin, aber im Monoalkylphosphit löslich sein. In diesem Falle kann ein Teil des gesamten Monoalkylphosphits, in dem der Radikalbildner gelöst ist, getrennt neben dem Olefin eingesetzt werden. Weiterhin kann unter Umständen auch das Monoalkylphosphit als Lösungsvermittler für den Radikalbildner im Olefin Verwendung finden.
Die Radikalbildner werden in katalytischen Mengen eingesetzt Zweckmäßig verwendet man 0,1 bis 5 Mol.-%, vorzugsweise 0,5 bis 3 MoL-%, bezogen auf die eingesetzte Menge Olefin. Bevorzugt kommt Di-tert-butylperoxid zur Anwendung.
Verwendet man UV-Licht-Bestrahlung zur Anregung der Reaktion, so muß die Reaktionslösung einer direkten Bestrahlung durch eine UV-Lampe ausgesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Umsetzung wird zweckmäßig in der Weise durchgeführt, daß zu dem Monoalkylphosphit das Olefin, gegebenenfalls mit katalytischen Mengen eines Radikalbildners vermischt, langsam zugegeben wird. Dabei werden niedrigsiedende Olefine vorteilhaft so zugegeben, daß das Ausflußrohr eines Tropftrichters bis unter die Oberfläche des Monoalkylphosphits führt Monoalkylphosphit und Olefin werden dabei vorzugsweise im Molverhältnis von etwa 1 :1 eingesetzt Es ist natürlich auch möglich, daß man einen der Reaktionspartner im Überschuß verwendet. Daraus erwächst jedoch im allgemeinen kein Vorteil bei der Verwendung von Radikalbildnern.
Die Umsetzung kann auch in Gegenwart von inerten Lösungsmitteln durchgeführt werden. Beispiele hierfür sind Alkohole, Ester und Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Benzol. Vorzugsweise wird jedoch in Abwesenheit von Lösungsmitteln gearbeitet
Bevorzugt wird die Umsetzung unter Inertgasatmosphäre durchgeführt Als Inertgase kommen vor allem Argon und Stickstoff in Betracht
Infolge der oben geschilderten möglichen Zersetzungsreaktionen können entsprechende Zersetzungsprodukte, wie z. B. Äther, Alkohole, Olefine, beispielsweise Dimethyläther, Methanol, Buten-1 sich in geringen Mengen während der Umsetzung bilden. Solche Zersetzungsprodukte können beispielsweise bei Durchführung der Reaktion unter Inertgasatmosphäre vorteilhaft mit Hilfe des Inertgases aus dem Reaktionsraum geführt und z. B. in einer anschließenden Kühlfalle zur Kondensation gebracht werden. Sie können aber auch nach beendeter Reaktion destillativ aus dem Reaktionsgemisch entfernt werdea
Die Umsetzungsdauer beim vorliegenden Verfahren ist wesentlich kurzer als bei den bisher bekannten Arbeitsweisen.
Die Umsetzungsdauer beträgt im allgemeinen etwa bis zu 6 Stunden. Häufig liegt sie bei etwa 3 bis 5 Stunden.
Nur bei der Verwendung von UV-Lichtbestrahlung ist es zur Erzielung einer hohen Ausbeute zweckmäßig, die Reaktionszeiten auf etwa 7 Stunden auszudehnen.
Die Umsetzung verläuft mit sehr guten Ausbeuten.
Das Verfahren kann bevorzugt auch kontinuierlich gestaltet werden. Dabei kann der Anteil an Telomerisaten im Reaktionsprodukt geringfügig ansteigen.
Das erfindungsgemäß erhältliche Gemisch von Alkanphosphonsäuren, Alkanphosphonsäuremonoestern und Alkanphosphonsäurediestern ist für sich bereits ein interessantes Zwischenprodukt.
Bevorzugt dient dieses Gemisch als Vorprodukt für die Herstellung von Alkanphosphonsäuren, die z. B. als Mercerisierungs- oder Flotationshilfsmittel Bedeutung erlangt haben.
Die Gemische können selbstverständlich auch, wie vorstehend bereits beschrieben, in die einzelnen Bestandteile getrennt und die Alkanphosphonsäuremonoester isoliert werdea
Zur Herstellung von Alkanphosphonsäuren können diese Gemische z. B. in an sich bekannter Weise einer Acidolyse unterworfen werdea Bevorzugt ist jedoch die Hydrolyse nach dem Verfahren der DP-Anmeldungen P 24 41 783.2 und P 24 41 878.8 durch Umsetzung des erfindungsgemäß erhaltenen Reaktionsgemisches, welches im wesentlichen aus Alkanphosphonsäuremonoester, Alkanphosphonsäurediester und Alkanphosphonsäure besteht mit Wasser bei Temperaturen von 160 bis 3000C unter Verwendung von mindestens der stöchiometrisch benötigten Menge an Wasser und Abdestillieren — gegebenenfalls zusammen mit Wasser — des gebildeten Alkanols.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt somit einen wirtschaftlich sehr vorteilhaften Weg zur Herstellung der technisch wichtigen Alkanphosphonsäuren, der über eine Teilveresterung von phosphoriger Säure verläuft, wobei letztere ohne Schwierigkeit auch in solchen Qualitäten eingesetzt werden kann, wie sie als
ίο Nebenprodukt bei einer Anzahl von Verfahren anfällt und bisher technisch praktisch keine Verwendung finden konnte.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele erläutert.
Beispiel 1
200g (2,47MoI) phosphorige Säure und 268g (2,47 Mol) Dimethylphosphit werden gemischt und unter Stickstoffatomosphäre auf 170—175° C erhitzt Nun wird unter lebhaftem Rühren ein Gemisch aus 545 g (4,87 Mol) Okten-1 und 6 g Di-tert-butylperoxid während 2,25 Stunden eingetropft 1 Stunde wird bei dieser Temperatur nachgerührt In einer nachgeschalteten Kühlfalle sammeln sich 12 g Dimethyläther, 5,5 g Methanol und 1,5 g Okten-1. Es verbleiben 1000 g Oktanphosphonsäurederivate, die aufgrund einer gaschromatographischen Analyse aus 13Gew.-% Oktanphosphonsäuredimethylester, 55 Gew.-% Mono-methylester und 29Gew.-% Oktanphosphonsäure bestehen und nur 0,5 Gew.-% Telomerisat enthalten.
Die Ausbeute beträgt somit fast 100% der Theorie an Oktanphosphonsäurederivaten.
Beispiel 2
250 g (3,05 Mol) phosphorige Säure, 450 g n-Butanol und 345 g Toluol werden unter Rühren zum Rückfluß erhitzt, wobei mit Hilfe eines Wasserabscheiders in etwa 4 Stunden 65 ml (3,62 Mol) Wasser abgetrennt werden.
Dann wird bei 100—120 Torr bis zu einer Innentemperatur von 1500C destilliert Der Rückstand stellt rohes Mono-n-butylphosphit dar. Er wird unter Stickstoffatmosphäre auf 18O0C erhitzt. Nun wird unter lebhaftem Rühren ein Gemisch aus 342 g (3,05 Mol) Okten-1 und 3,5 g Di-tert-butylperoxid während 3 Stunden eingetropft. 1 Stunde wird bei dieser Temperatur nachgerührt. In einer nachgeschalteten Kühlfalle sammeln sich etwa 5 g Buten-1.
Anschließend wird das Reaktionsprodukt nach dem Verfahren der deutschen Patentanmeldung P 24 41 7832 bei 2000C mit Wasser umgesetzt Man erhält 592 g Oktanphosphonsäure, die nur 2Gew.-% Telomerisat enthält Das entspricht einer Ausbeute von 100% an Alkanphosphonsäurederivaten.
Beispiel 3
120 g (0,618MoI) Di-n-butylphosphit und 50,6 g (0,618MoI) phosphorige Säure werden gemischt und unter Stickstoff atmosphäre auf 1800C erhitzt Nun wird unter lebhaftem Rühren während 2,5 Stunden ein Gemisch aus 139 g (1,24MoI) Okten-1 und 1,4 g Di-tert-butylperoxid eingetropft und das Gemisch 1 Stunde bei dieser Temperatur nachgerührt Anschließend wird bis zu einer Innentemperatur von 1500C bei 1 Torr destilliert Als Rückstand verbleiben 295 g eines Gemisches aus Oktanphosphonsäuredibutylester, Oktanphosphonsäuremonobutylester und Oktanpho-
sphonsäure, etwa in dem Verhältnis wie im Beispiel 1 beschrieben.
Beispiel 4
162 g (1,975MoI) phosphorige Säure und 217 g (1,975 Mol) Dimethylphosphit werden gemischt und auf 155—160° C erhitzt. Nun wird unter Stickstoff atmosphäre unter lebhaftem Rühren während 3 Stunden ein Gemisch aus 775 g (3,95MoI) Tetradecen-1 und 8 g Di-tert.-butylperoxid eingetropft und die Mischung bei dieser Temperatur 1 Stunde nachgerührt. In einer nachgeschalteten Kühlfalle sammeln sich 19 g Dimethyläther und Methanol. Bei Abkühlen des Reaktionsgemisches tritt Erstarrung ein. Das erhaltene Produkt hat einen Erstarrungspunkt von 35° C.
Anschließend wird das Reaktionsprodukt nach dem Verfahren der deutschen Patentanmeldung P 24 41 878.8 bei 175°C mit Wasser umgesetzt. Man erhält 1080 g Tetradecanphosphonsäure vom Erstarrungspunkt 74° C. Das entspricht einer Ausbeute von 98,5% der Theorie an Tetradecanphosphonsäure.
Beispiel 5
200 g (2,44MoI) phosphorige Säure und 268 g (2,44 Mol) Dimethylphosphit werden gemischt und auf 155—160°C erhitzt Nun wird unter Stickstoffatmosphäre unter lebhaftem Rühren während 2 Stunden ein Gemisch aus 545 g (4,87MoI) Okten-1 und 6 g
ι ο Di-tert.-butylperoxid eingetropft
Es wird 1 Stunde bei dieser Temperatur nachgerührt. In einer nachgeschalteten Kühlfalle sammeln sich 8 g Dimethyläther und 1,5 g Methanol.
Anschließend wird das Reaktionsprodukt nach dem Verfahren der deutschen Patentanmeldung P 24 41 878.8 bei 17O0C mit Wasser umgesetzt Man erhält 941 g Oktanphosphonsäure vom Erstarrungspunkt 80,60C. Das entspricht einer Ausbeute von 99% der Theorie an Oktanphosphonsäure.
709 516/452

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Alkanphosphonsäure-monoalkylestern der allgemeinen Formel (I)
R1 —P
OR2
(D
DE19752551598 1975-11-18 1975-11-18 Verfahren zur Herstellung von Alkanphosphonsäureestern Expired DE2551598C2 (de)

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CH622524A5 (en) 1981-04-15
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