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Absorptionsmasse Das Problem der vollständigen Entfernung von Sauerstoff-Spuren
aus polymerisierbaren Olefinen ist trotz seiner technischen Bedeutung bis heute
noch nicht zufriedenstellend gelöst. Die wirtschaftlich einsetzbaren "Sauerstoff-Fänger"
reagieren zum Teil mit den Olefinen bzw. wirken als Polymerisationskatalysatoren.
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Es ist bekannt, daß die Aktivität von Manganderivaten als Ziegler-Natta-Katalysatoren
gering ist (vgl. J. Boor jr., J. Polym. Sci. A-19, 3075 (1971)). Es ist weiterhin
bekannt, daß die Polymerisationsaktivität von Manganoxiden, welche auf Träger aufgebracht
wurden, ebenfalls nicht sehr groß ist (val.
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US-Patentschrift 3 60i 856).
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Schließlich ist auch die Sauerstoff-Empfindlichkeit frisch hergestellter
Mn-(II)-Verbindungen, wie Mn0, Mn(0H)2 usw., seit langem bekannt, wobei die Sauerstoffaufnahme
von MnO allerdings von den Herstellungsbedingungen abhängt. Reines MnO hat für die
Gasreinigung im Großen den Nachteil, daß es staubt, d. h. feine Partikel werden
durch den Gasstrom fortgetragen, oder auch zusammenbackt, so daß der Durchlaßwiderstand
einer MnO-Schüttung stark ansteigt. Deswegen wurde für die Anwendung zur Gasreinigung
vorgeschlagen, aus Manganoxalat Trin situ"
hergestelltes MnO im
Gemisch mit Vermiculit zu verwenden oder auf Bentonit und Celit dispergiertes MnO
(aus thermischer Zersetzung von MnC03) zur Bindung von Sauerstoff einzusetzen.
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Auch feinverteilte Manganoxide auf Aluminiumoxiden und Silicagelen
sind bekannt. Indessen ist die Absorptionskapazität der bekannten Absorptionsmassen
für Sauerstoff für den großtechnischen Einsatz noch nicht ausreichend. Außerdem
stört bei der Anwendung die Polymerbildung, welche aufwendige Aufbereitungsmaßnahmen
notwendig macht.
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Gegenstand der nicht zum Stand der Technik gehörenden Patentanmeldung
P .. .. .... ist ein Verfahren zur Herstellung einer Absorptionsmasse durch Aufbringen
einer Manganverbindung auf ein Trägermaterial und Aktivieren, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß man eine wasserlösliche Manganverbindung aus ihrer Lösung auf ein Trägermaterial
mit einer spezifischen Oberfläche von mehr als 100 m2/g und einem integralen spezifischen
Porenvolu-3 men von mehr als 0,50 cm /g aufbringt, das imprägnierte Produkt bei
einer Temperatur von 60 bis 600°C und einem Druck von 10 Torr bis 5 kg/cm2 5 bis
300 Minuten mit Sauerstoff aktiviert und das aktivierte Produkt bei einer Temperatur
von 250 bis 6000C und einem Druck von 10 Torr bis 5 kg/cm2 1 bis 60 Minuten mit
einem reduzierenden Gas behandelt.
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Es wurde nun gefunden, daß eine Absorptionsmasse, welche im wesentlichen
Mn-(II)-Atome chemisch gebunden an ein Silicagel enthält und auf einem speziellen
Weg hergestellt wurde, sowohl eine sehr hohe Sauerstoff-Aufnahmefähigkeit als auch
eine außerordentlich niedrige Polymerisationsaktivität besitzt, außerdem weder staubt
noch zusammenbackt und daher lange einsatzfähig bleibt.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Absorptionsmasse
durch Aufbringen einer Manganverbindung auf ein Trägermaterial und Aktivieren, das
dadurch gekennzeichmet
ist, daß man eine lösliche Manganverbindung
der Formel (I) Mn/N(SiR3)2#72 worin R eine Alkylgruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen,
eine Cycloalkylgruppe mit 4 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine Arylgruppe mit 6 bis 10
Kohlenstoffatomen, Halogen, eine Dialkylaminogruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen
im Alkylrest oder die Gruppen
-CN, -NC, -CNO oder -NCO bedeutet, oder der Formel (11) Mn/Ñ(Si(OR )3)2-72 worin
R1 eine Alkylgruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen oder eine Cycloalkylgruppe mit
4 bis 8 Kohlenstoffatomen bedeutet, in reiner Form oder als Ätherat aus ihrer Lösung
in einem inerten Lösungsmittel auf ein Trägermaterial mit einer spezifischen Oberfläche
von mehr als 100 m²/g und einem integralen spezifischen Porenvolumen von mehr als
0,50 cm3/g aufbringt und das imprägnierte Produkt durch Erhitzen unter Inertgas
auf eine Temperatur von 40 bis 6000C bei einem Druck von 10## 3 bis 1000 Torr während
40 bis 300 Minuten aktiviert.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die nach diesem Verfahren hergestellte
Absorptionsmasse und ihre Verwendung zur Entfernung von Spuren von Sauerstoff und
anderen Verunreinigungen aus Inertgasen, Olefinen und Lösungsmitteln.
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Absorptionsmasse wird zunächst
ein Trägermaterial mit einer löslichen Manganverbindung imprägniert. Als Trägermaterial
eignen sich solche mit einer spezifischen Oberfläche (ohne Vorbehandlung) von mehr
als 100 m2/g, vorzugsweise 400 bis 900 m2/g, insbesondere 600 bis 800 m²/g, und
einem integralen spezifischen Porenvolumen von mehr
als 0,50 cm3/g,
vorzugsweise 0,60 bis 0,90 cm3/g, insbesondere 0,70 bis 0,80 crn3/g. Die spezifische
Oberfläche wird bestimmt mittels einer modifizierten EET-Methode (vgl. G. M. Bliznakov,
1. V. Bakardjiev und E. M. Gocheva, J. Catal. 18, 260 (1970)).
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Das integrale spezifische Porenvolumen wird bestimmt mit Hilfe der
Quecksilber-Penetrations-Methode. Beispiele für solche Trägermaterialien sind Silicagel,
Aluminiumoxid, Titandioxid, Thoriumoxid Zirkonoxid, Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid,
Magnesiumcarbonat, Magnesiumalkoholate, Zeolithe sowie SiO² mit MgO-Oberflächenschichten.
Bevorzugt wird Silicagel verwendet.
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Als lösliche Manganverbindung wird eine metallorganische Verbindung
des zweiwertigen Mangans der Formel (I) Mn[N(SiR3)2]2 worin R eine Alkylgruppe mit
1 bis 8 Kohlenstoffatomen, ene Cycloalkylgruppe mit 4 bis 8 Kohlenstoffatomen, eine
Arylgruppe mit 6 bis 10 Kohlenstoffatomen, Halogen, eine Dialkylaminogruppe mit
1 bis 8 Kohlenstoffatomen im Alkylrest oder die Gruppen
-CN, -NC, -CNO oder -NCO bedeutet, oder der Formel (II) Mn[N(Si(OR1)3)2]2 worin
R1 eine Alkylgruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen oder eine Cycloalkylgruppe mit
4 bis 8 Kohlenstoffatomen bedeutet, verwendet.
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Vorzugsweise werden Verbindungen der Formel Mn[N(SiR3)2]2 verwendet
und besonders bevorzugt davon Verbindungen, in deren
Forn#eI R eine
Alkylgruppe ist, beispielsweise Xn/N(Si (CH3)3)2]2 Mn[N(Si }(C 7)3) Mn[N(Si(C5H11)3)2]2
Mn[N(Si(C7H15)3)2]2 usw. Ganz besonders bevorzugt wird die Verbindung Mn[N(Si(CH3)3)2]2
welche sich vom Hexamethyldisilazan (HMDS) ableitet.
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Obwohl alle diese Verbindungen in reiner Form verwendet werden können,
werden sie doch bevorzugt in Form ihrer Atherate eingesetzt. Als Äther kommen in
Frage Dialkyläther mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen in jeder Alkylgruppe, beispielsweise
Diäthyläther, Di-i-propyläther, oder cyclische Äther, beispielsweise Tetrahydrofuran.
Bevorzugt sind Diäthyläther und Tetrahydrofuran.
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Die Herstellung dieser Verbindungen erfolgt auf bekanntem Wege, beispielsweise
durch Umsetzung von Mangan-(II)-chlorid mit dem entsprechenden Lithiumkomplex
Die Imprägnierung erfolgt vorzugsweise durch Mischen des Trägermaterials
mit der Lösung der Manganverbindung. Als Lösungsmittel dient ein flüssiger aliphatischer
oder aromatischer Kohlenwasserstoff. Beispiele sind Pentan, Hexan, Heptan, Octan,
Cyclohexan, Benzol, Toluol. Vorzugsweise werden die niedrigsiedenden Alkane und
Cycloalkane verwendet. Die Lösung hat eine Konzentration von 0,01 bis 2 Mol Manganverbindung/Liter,
vorzugsweise von 0,05 bis 1 Mol/l, insbesondere von 0,1 bis 0,5 Mol/l. Das Trägermaterial
wird angewendet in einer Menge von 50 000 bis 200 g/Mol Manganverbindung, vorzugsweise
von 10 000 bis 500 g/Mol, insbesondere von 5000 bis 1000 g/Mol.
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Die Wahl der Konzentration der Lösung der Manganverbindung und des
Verhältnisses Trägermaterial zu Manganverbindung ist abhängig von der gewünschten
Konzentration der Mangan-(II)-Ionen an der Oberfläche des Trägermaterials. Man läßt
die Suspension entweder eine Zeitlang (ca. 30 Minuten) unter gelegentlichem Umrühren
stehen und saugt sie über ein Filter ab oder man dampft die Suspension sofort ein,
zum Beispiel in einem Rotations-Dünnschicht-Verdampfer bei vermindertem Druck. Danach
wird das imprägnierte Produkt getrocknet.
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Das getrocknete Produkt wird nunmehr einer thermischen Behandlung
unterworfen, d. h. aktiviert. Dazu wird es im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre
auf eine Temperatur von 40 bis 6000C, vorzugsweise von 50 bis 4000C, erhitzt. Die
Reaktion kann 40 bis 300 Minuten dauern, vorzugsweise 50 bis 200 Minuten. Der Druck
im Reaktionsgefäß kann 10 3 bis 1000 Torr sein, vorzugsweise 10 2 bis 800 Torr.
Die Aktivierung kann in einer Stufe, vorteilhafterweise in mehreren Stufen durchgeführt
werden, vorzugsweise in zwei Stufen. In der ersten Stufe wird ein Vakuum von ca.
10 bis 10 Torr oder eine Inertgasatmosphäre bis zu 1000 Torr angewendet bei einer
Temperatur von 40 bis 2500C, vorzugsweise von 50 bis 2000C, und einer Reaktionsdauer
von 20 bis 120 Minuten, vorzugsweise 25 bis 100 Minuten. In
der
zweiten Stufe wird das Produkt auf eine Temperatur von 250 bis 60000, vorzugsweise
von 300 bis 50000, erhitzt bei einem Druck von ca. 10## 3 bis 1000 Torr und einer
Reaktionsdauer von 20 bis 180 Minuten, vorzugsweise von 25 bis 100 Minuten.
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Nach der Aktivierung liegt das Mangan, wie man festgestellt hat, zum
wesentlichen Teil chemisch gebunden an das Trägermaterial, d. h. als echte Oberflächenverbindung
vor. Der Gehalt an dieser Oberflächenverbindung ist abhängig von der zur Verfügung
stehenden Oberfläche und dem Mangangehalt der Absorptionsmasse. Er wird sein Maximum
erreichen, wenn alle reaktionsfähigen Zentren der Trägeroberfläche mit der eingesetzten
Manganverbindung reagiert haben. Der genaue Ablauf der Bildungsreaktion ist nicht
bekannt, jedoch dürfte folgendes Reaktionsschema zugrunde liegen: (aufgezeichnet
am Beispiel der Mangan-Hexamethyldisilazan-Tetrahydrofuran-Komplexverbindung und
Silicagel)
Idn(HMDS)2 .(THF)X + Silo2 |
x |
} Mn(HMDS)2 ~ (THF)x |
x |
| -HMDS + 7 SiOH |
O-Mn (HMDS) |
CH |
Si OH 7 /3 |
1 7\Si-0-Si#C}}3P 7 |
si 3 |
-HMDS |
+ /-SiOH |
\ / |
Mn |
O Mo |
si s |
oI ZI |
Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß zu verwendenden Manganverbindung,
daß das bei der Aktivierung freiwerdende Disilazan mit freien OH-Gruppen reagiert
und diese bIokkiert und somit das Trägermaterial hydrophobiert.
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Die fertige Absorptionsmasse, welche gut rieselt, enthält etwa 0,1
bis 20 Gewichtsprozent Mangan-(II), vorzugsweise 2 bis 15 Gewichtsprozent, insbesondere
6 bis 8 Gewichtsprozent, im wesentlichen in chemisch an den Träger gebundener Form.
Die Absorptionsmasse besitzt eine hohe Aufnahmefähigkeit für Sauerstoff, bis zu
ca. 12 mg 02/g Masse bei 25 0C. Dabei werden etwa
?5 % der Kapazität
spontan absorbiert. Durch eine Temperaturerhöhung bei der Absorption kann die Kapazität
noch gesteigert werden. So wurde gefunden, daß bei 100°C bis zu ca. 18 mg 02/g Masse
absorbiert wurden. Die erfindungsgemäße Absorptionsmasse unterscheidet sich von
reinem MnO bzw. auf einem Träger dispergiertem MnO dadurch, daß sie, beispielsweise
basierend auf Silicagel, in reduzierter Form (MnII) auf eine Temperatur von über
5000C erhitzt, ihre Eigenschaften nicht ändert, während MnO (rein oder dispergiert)
nach einer solchen Behandlung seine Sauerstoff-Empfindlichkeit bei Raumtemperatur
verliert. Ein qualitativer Vergleich von 02-Absorptions-Kapazität und Polymerisationsaktivität
verschiedener Mn11-Produkte zeigt, daß sich die beiden Eigenschaften gegenläufig
verhalten: die Sauerstoff-Absorptionskapazität wächst in der Reihe
während die Polymerisationsaktivität im gleichen Sinn abnimmt.
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Die erfindungsgemäße Absorptionsmasse vermag außer Sauerstoff auch
andere Verunreinigungen zu absorbieren, so beispielsweise Wasser und Acetylen.
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Die Polymerisationsaktivität der erfindungsgemäßen Absorptionsmasse
ist sehr gering. So wurden bei einem Polymerisationsversuch mit einer Masse (2 Gewichtsprozent
Mn) bei einer Temperatur von 110°C, einem Druck von 30 kg/cm² in Cyclohexan als
Lösungsmittel nach einer Reaktionszeit von 20 Stunden nur 3,0 g Polyäthylen/g Mangan
erhalten.
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Wegen der sehr hohen Aufnahmefähigkeit, insbesondere von Sauerstoff,
und der außerordentlich geringen Polymerisationsakti vität eignet sich die erfindungsgemäße
Masse sehr für die Entfernung
von Spuren von Sauerstoff, Wasser
und anderen Verunreinigungen aus Inertgasen, Olefinen und Lösungsmitteln. Zu diesen
Lösungsmitteln gehören beispielsweise Alkohole, Ketone, Äther, Ester, Kohlenwasserstoffe,
Halogenkohlenwasserstoffe, Amine, Amide, Alkylcyanide. Dabei kann die Masse nicht
nur mehrfach regeneriert werden durch Reduktion mit CO oder H2, sondern sie bleibt
auch lange Zeit verwendungsfähig und verstopft kaum, selbst unter erhöhtem Druck.
Fin besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Absorptionsmasse ist es, daß sie bereits
bei Raumtemperatur außerordentlich aktiv ist.
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Zur Herstellung hochreiner Lösungsmittel mittels der erfindungsgemäßen
Absorptionsmasse ist die nachstehend beschriebene Apparatur sehr geeignet. Ein zylindrisches
Glasrohr (1) ist am oberen Ende mit einer Kugel (2) versehen. Das untere Ende des
Glasrohrs enthält eine Fritte (3) und einen Hahn (4). Das obere Ende trägt oberhalb
der Kugel (2) einen Schliffstutzen (5), welcher mit einer Kappe (6) verschlossen
werden kann, und kurz unterhalb des Schliffstutzens (5) seitlich einen Hahn (7).
Das zylindrische Glasrohr (1) ist etwa 5 bis 50 cm lang bei einem Durchmesser von
1 bis 10 cm. Die Kugel (2) hat ein Volumen von 50 bis 5000 ml. Zum Gebrauch werden
unter einem Inertgas-Gegenstrom die Absorptionsmasse und das zu reinigende Lösungsmittel
nacheinander in die Apparatur eingeführt und der Schliffstutzen (5) geschlossen.
Danach kann das gereinigte Lösungsmittel mittels des Hahnes (4) entnommen werden.
Einleiten eines Inertgases via Hahn (7) beschleunigt den Durchfluß des Lösungsmittels
durch die Säule.
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Zur Prüfung der erfindungsgemäßen Absorptionsmasse werden folgende
Untersuchungsmethoden angewendet:
1. Gesamt-Mangan-Analyse Der
Aufschluß erfolgt nach F. D. Snell und C. T. Snell, Colorimetric Methods of Analysis
Vol. II, 382, Princeton 1955. Um alles vorhandene Mangan in die zweiwertige Stufe
zu überführen, wird die Probe vor dem Abrauchen mit Flußsäure mit wenigen Tropfen
30 %igen Wasserstoffperoxids versetzt und bis zum Abklingen der Sauerstoff-Entwicklung
erhitzt. Die Oxidation zum Permanganat-Ion erfolgt mit 3 bis 4 g Kalium-metaperjodat
bei 900C. Der Gehalt wird kolorimetrisch bei 525 nm und Raumtemperatur in einem
Spektralphotometer bestimmt.
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2. Bestimmung der Oxidationsstufen 2.1 Oxidationsstufe der aktivierten
Absorptionsmasse Die für eine-Titration nach Lingane-Karplus (vgl. Ind.
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Eng. Chem. Anal. Edition 18, 191 (1946)) benötigten Lösungen müssen
wegen der Sauerstoff-Empfindlichkeit des Katalysators von Luft befreit sein. Durch
Evakuieren wird das Titrationsgefäß ebenfalls sauerstofffrei gemacht. Dann füllt
man unter Argon 100 ml Pyrophosphat-Lösung ein und bringt mit Schwefelsäure auf
pH 2.
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3 bis 4 g der reduzierten Absorptionsmasse werden unter Luftausschluß
in eine Ampulle eingeschmolzen, diese in das Titrationsgefäß gebracht und unterhalb
des Flüssigkeitsspiegels zerbrochen. Man rührt 5 Minuten und stellt mit Natriumhydroxid
auf pH 6 ein. Dann titriert man mit - < 02 m Kaliumpermanganat-Lösung (potentiometrische
Äquivalenzpunkts-Anzeige, Pt-Elektrode gegen gesättigte Kalomelelektrode).
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2.2 Oxidationsstufe der reoxidierten Absorptionsmasse Die Oxidationsstufe
der reoxidierten Produkte wird, wie unter 2.1 beschrieben, nach Bunsen ermittelt.
Parallel dazu wird Mntll photometrisch über den Pyrophosphat-Komplex bestimmt. Beide
Verfahren ergaben übereinstimmende Werte
Beispiele Unter Ausschluß
von Luft und Feuchtigkeit werden in eine Lösung von 46 g Mn(HMDS)2 . 2 THF in Pentan
100 g Silicagel mit einer einer spezifischen Oberfläche von 610 m /g und einem integralen
spezifischen Porenvolumen von 0,56 cm3/g, welches bei 20000 getrocknet wurde, eingetragen
und die Suspension 20 Minuten auf 300C erwärmt. Danach wird das Lösungsmittel mit
Hilfe eines Rotationsverdampfers entfernt, das feste Produkt eine Stunde bei einer
Temperatur von 8000 und einem Druck von 10 3 Torr getrocknet und aktiviert.
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Zum Vergleich werden 100 g Silicagel mit 200 ml Pentan aufgeschlämmt.
Sie durchlaufen danach alle vorstehend beschriebenen Schritte. Die so erhaltenen
Substanzen dienen als Referenz bei den Absorptionsversuchen ("gleichbehandelter
Träger").
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Zur Messung der Sauerstoff-Absorption werden in ein 100 ml Schlenkrohr
ca. 20 g reduzierte Absorptionsmasse unter Argon eingebracht, das Rohr auf 0,1 Torr
evakuiert und das Gewicht bestimmt. Anschließend läß man trockenen Sauerstoff zu,
stellt nach abgelaufener Reaktion wieder auf 0,1 Torr ein und wiegt erneut. Wie
Blindversuche mit "gleichbehandeltem Träger" ergeben, kann eine 02-Absorption am
Träger unter diesen Bedingungen vernachlässigt werden.
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Die Aktivierungsbedingungen und die Ergebnisse der Prüfung der Absorptionsfähigkeit
bei einer Temperatur von 2000 sind in der Tabelle zusammengefaßt.
Aktivierung Analyse Sauerstoff-Absorp- |
Gew.-% tion mg 02/g Masse |
Mn-Verbindung UC/h/Methode Mn Mnll 0,5 30 20 h |
total min min |
spontan |
Mn(HMDS)2.(THF) 80/1/10 3 Torr 4.86 4.60 12.3 15.0 16.1 |
Mn(HMDS)2.(THF) 150/1/Ar 4.86 - 9.9 12.3 13.7 |
Mn(HMDS)2.(THF) 250/1/Ar 4.86 4.50 6.7 9.5 10.9 |
Mn(HMDS)2.(THF) 350/1/Ar 4.86 - 3.9 5.0 7.2 |
Mn(HMDS)2.(THF) 450/1/Ar 4,86 4.89 0,8 1.5 2.4 |
Leerseite