DE2951613A1 - Metallorganische einlagerungsverbindungen - Google Patents
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Description
Vorliegende Erfindung betrifft metallorganische Einlagerungsverbindungen
.
Metallorganische Einlagerungsverbindungen werden bereits in US-PS 3 980 684 beschrieben. Bei den,bekannten Einlagerungsverbindungen
handelt es sich um solche mit Schichtstrukturen von Metall-Dichalcogeniden und Metallocenen.
Diese Materialien werden beschrieben als geeignet zur Beugung weicner Röntgenstrahlen mit Wellenlängen von
etwa 2nm.
Die erfindungsgemäßen metallorganischen Einlagerungsverbindungen
bestehen aus einem Wirtsteil für die Einlagerung und einem eingelagertem Gastteil, wobei der Wirtsteil
ein wasserunlösliches Salz ist, das aus einem vierwertigen Metallkation und einem sauren Phosphat-, Arsenat- oder
Vanadat-Anion besteht und eine geschichtete Struktur aufweist. Der Gastteil ist ein bei Raumtemperatur gegenüber
Wasser stabiles metallorganisches Kation. Der Wirtsteil wird durch die Formel
M(H1_yAyX04)2.nH20
dargestellt, in der M wenigstens ein vierwertiges Metall
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kation ist, ausgewählt aus der Gruppe Zirkon, Titan, Hafnium, Cer, Thorium, Zinn, Blei und Germanium, A wenigestens
ein einwertiges Kation ist, ausgewählt aus der Gruppe Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium,
Ammonium und substituiertem Ammonium der Formel RR1R11R111N+, wobei R, R1, R" und R"1 Wasserstoff oder
Kohlenwasserstoffgruppen darstellen, X wenigstens eines der Elemente Phosphor, Arsen oder Vanadin ist und y einen
Wert von 0 bis 1 und η einen Wert von 0 bis 6 darstellt. Der Gastteil der Einlagerungsverbindung ist ein metallorganisches
Kation, das aus einem Übergangsmetall aus den Gruppen IB bis VIIB und VIII, Reihen 3, 4 und 5 des Periodensystems
der Elemente besteht und an das 2 bis 6 Liganden gebunden sind.
Die erfindungsgemäße metallorganische Verbindung kann aber auch eine Verbindung der Formel
Hl-yAyT02X04-nH2°
sein, in der T wenigstens ein Element aus der Gruppe
Uran und Transurane ist und A, X, y und η sowie der eingelagerte
Gastteil die oben angegebene Bedeutung haben.
Zur Herstellung der Einlagerungsverbindungen wird eine Ionenaustausch-Technik verwendet, bei der in die Einlagerungsverbindung
ein metallorganisches Kation eingelagert
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wird. Andererseits können die erfindungsgemäßen Einlagerungsverbindungen
auch unter Verwendung neutraler metallorganischer Verbindungen durch direkte Reaktion hergestellt
werden.
Bekanntlich bestehen Einlagerungsverbindungen aus einem sogenannten Wirtsteil und einem eingelagerten Gastteil.
Die erfindungsgemäßen metallorganischen Einlagerungsverbindungen
enthalten als Wirtsteil irgendein wasserunlösliches Salz aus einem vierwertigen Metallkation und einem
sauren Phosphat-, Arsenat- oder Vanadat-Anion mit einer geschichteten Struktur. Die Protonen der Phosphat-, Arsenat-
oder Vanadatgruppe können ganz oder teilweise durch einwertige Kationen ersetzt sein.
Die erfindungsgemäße metallorganische Einlagerungsverbindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wirtsteil eine Verbindung der Formel
M(H1_yAyX04)2.nH20
oder der Formel
ist, worin M wenigsten? ein vierwertiges Metallkation ist, ausgewählt aus der Gruppe Zirkon, Titan, Hafnium,
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Cer, Thorium, Zinn, Blei und Germanium, A wenigstens ein einwertiges Kation ist, ausgewählt aus der Gruppe
Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Ammonium und substituiertem Ammonium der Formel RR1R11R111N+, wobei
R, R1, R" und R"1 Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffgruppen
darstellen, X wenigstens eines der Elemente Phosphor, Arsen oder Vanadin und T wenigstens ein Element aus der
Gruppe Uran und Transurane ist, y einen Wert von 0 bis 1 und η einen Wert von 0 bis 6 darstellt, und der Gastteil
aus einem metallorganischen Kation eines Übergangsmetall es aus den Gruppen IB bis VIIB und VIII, Reihen 3, 4 und
5 des Periodensystems der Elemente besteht, an das 2 bis 6 Liganden gebunden sind.
Die Herstellung dieser Salze ist gut bekannt und daher nicht Teil dieser Erfindung. Sie wird beispielsweise
beschrieben in "Accounts of Chemical Research", Band 11, Seiten 163 bis 170 (1978). Die planare Struktur der Wirtsverbindung besteht aus trigonalen Anordnungen von vierwerti-
gen Metallkationen, die durch dreifache überbrückende
2_
H, A HO. -Gruppen octaedrisch koordiniert sind. Die spezielle Struktur der geschichteten Verbindung hängt von den Kationen des Gastteils und dem Grad der Solvatisierung zwischen den Schichten ab.
H, A HO. -Gruppen octaedrisch koordiniert sind. Die spezielle Struktur der geschichteten Verbindung hängt von den Kationen des Gastteils und dem Grad der Solvatisierung zwischen den Schichten ab.
Unter den erfindungsgemäßen Einlagerungsverbindungen werden
solche bevorzugt, bei denen y = 0 ist; solche Verbindungen
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haben die Formel
M(HXOJ0. nHo0.
Beispiel für ein Salz dieses Typs ist Zirkonphosphat
Zr(HP04)2.nH20.
Eine zweite Klasse von Wirtssubstanzen für Einlagerungsverbindungen sind geschichtete Phosphate, Arsenate und
Vanadate, dargestellt durch die Formel
Hl-yAyT02X04-nH2°
in der T wenigstens eine Element aus der Gruppe Uran und Transurane bedeutet. Beispiele für Transuranelemente
sind Neptunium und Americium. Auch die Herstellung dieser Salze ist bekannt und daher nicht Teil dieser Erfindung;
sie ist z. B. beschrieben in Journal of the Less Common Metals, Band 44, Seiten 99 bis 123, 125 bis 132, 133
bis 136 (1976). Die Symbole A, X, y und η haben die oben angegebenen Bedeutungen.
Uranverbindungen sind verhältnismäßig stabil und werden daher bevorzugt. Die planare Struktur besteht aus Zick-
2+ 3— Zack-Lagen von dichtgepackten UO - und XO4 -Gruppen.
Auch hier hängt die besondere Struktur der geschichteten
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Verbindung von der Art der Kationen des Gastteils und dem Grad der Solvatisierung zwischen den Schichten ab.
Der eingelagerte Gastteil ist ein metallorganisches Kation, das aus einem Übergangsmetall besteht, an das 2 bis 6
Liganden gebunden sind. Geeignete Übergangsmetalle sind solche aus den Gruppen IB bis VIIB und VIII, Reihen 3,
4 und 5 des Periodensystems der Elemente. Das molare Verhältnis von eingelagertem Gastteil zu Wirtsteil beträgt
etwa 0,5 oder weniger.
Die erfindungsgemäßen Einlagerungsverbindungen können
auf zwei Wegen hergestellt werden, wobei der erste Weg eine Ionenaustausch-Technik und der zweite eine direkte
Mischtechnik benutzt. Beide Techniken werden weiter unten im Detail beschrieben.
Bei der Ionenaustausch-Technik werden Protonen und/oder A -Kationen gegen metallorganische Kationen ausgetauscht.
Die geeigneten metallorganischen Kationen sollen bei Raumtemperatur gegenüber Wasser stabil sein. Die an das
Übergangsmetall gebundenen Liganden können gleich oder
verschieden sein. Die Liganden werden ausgewählt aus der Gruppe der ungesättigten Kohlenwasserstoffe, Organophosphite,
Organophosphine, Organoarsine, organischen Isocyanide, Kohlenmonoxid, Stickstoffoxid, Hydride, Halide,
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Pseudohalide, Alkyl- und Arylgruppen. Beispiele ungesättigter
Kohlenwasserstoffe sind einfache Alkene, Polyene, Allyl- und Polyenyl-Gruppen wie Ethylen, Allyl, Butadien,
Pentadienyl, Cyclopentadienyl, Benzol, Cycloheptadienyl u. dgl. sowie deren substituierte Derivate. Beispiele für
Organophosphite, Organophosphine und Organoarsine sind
OjO ο Ο ο £. O O Ö O ii ^ O ο
P(OCH^1) (C^Hp.) o u. dgl. Zu den Organoisocyaniden gehören
CH0NC, C1-H1-NC u. ä. Halide und Pseudohalide sind Chlor,
3 ob
Brom, Jod, CN, SCN, N3 u. dgl. Alkyl- und Aryl-Gruppen sind
z. B. CH3, C5H5, CH2C(CHg)3 u. dgl.
Beispiele für metallorganische Kationen, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Einlagerungsverbindungen geeignet
sind, sind [Co(C5H5) 2] + , [(Fe(C5H5) (C5H5CH3)]+ ,
[Co(CH3NC)5I+, [Rh(C6(CH3)6)(C2H4)2]+, [Cr(C6H6)2]+,
[NiC0H, (P(OCH„)„)„]+ und [Rh[c H) PCH0CH0P (0,.H1-) J9J + .
Im allgemeinen kann jedes Anion, wie 0H~, PFfi~» Halid
u. dgl., mit den metallorganischen Kationen verbunden werden, abgesehen von den weiter unten genannten Ausnahmen.
Bei der Ionenaustausch-Reaktion wird eine geschichtete Verbindung, die austauschbare Kationen (H+ und/oder A+)
enthält, mit einer Lösung aus metallorganischen Kationen gemischt. Dabei tritt folgende, als typisch für Ionenaustausch-Reaktionen
angesehene Umsetzung ein:
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Zr(HP04)2 + xCo(C5H5)2 + —>
ZHHPO^^iPC^yCoiC^),,^ + xH+
wobei χ etwa 0,5 oder weniger ist. Bei der praktischen Durchführung der Ionenaustausch-Reaktion sind solche
Lösungsmittel geeignet, die polar sind und metallorganische
Salze zu lösen vermögen. Zu diesen Lösungsmitteln gehören die folgenden: Wasser, Methanol, Ethanol, Dimethylsulfoxid,
Dimethylformamid, Tetrahydrofuran, Acetonitril u. dgl. sowie deren Mischungen.
Die Reaktionstemperatur kann im Bereich von Raumtemperatur bis dicht unter der Zersetzungstemperatur der metallorganischen
Verbindung liegen. Die Reaktionsdauer liegt normalerweise bei wenigen Stunden bis zu mehreren Wochen und
hängt dabei von den jeweiligen Reaktionsteilnehmern ab.
Obwohl erwartet werden kann, daß alle möglichen Kombinationen
von metallorganischen Kationen mit für die Einlagerungsverbindungen geeigneten Wirtsverbindungen zu den erfindungsgemäßen
Einlagerungsverbindungen führen, gibt es doch einige besondere Kombinationen, die nicht so vollständig
reagieren wie andere. Beispielsweise kann die kristalline Modifikation der Wirtsverbindung die Einlagerungsreaktion
erleichtern. Als Beispiel wird die Gamma-Phase von Zr(HPO. )_.2H_0 genannt, die mit Co(C1-H1-) „PFC rasch reagiert,
wobei sich eingelagerte Kobaltocen-Kationen zwischen den Schichten des Zirkonphosphat-Kristallgitters bilden.
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Andererseits reagiert unter ähnlichen Bedingungen die Alpha-Phase von Zr(HPO4)2-H2O offensichtlich nur in geringem
Maße mit den metallorganischen Kationen. Wechselt man jedoch vom PFfi zum OH -Anion, dann erhält man wiederum
Einlagerungen des Kobaltocen-Kations. Auf diese Weise
kann man in vielen Fällen, in denen die Ionenaustausch-Reaktion nicht rasch bis zur Vollendung fortschreitet, durch
einen Wechsel der Anionen die gewünschte Einlagerung bewirken.
Bei der Technik der direkten Reaktion werden neutrale metallorganische Verbindungen eingesetzt, die (a) ein
genügend niedriges Ionisationspotential aufweisen, so daß sie Protonen reduzieren können, und (b) stabile entsprechende
Kationen haben. Beispiele für neutrale metallorganische Verbindungen werden durch die Formel
M1(C H _ R )p definiert, in der M1 wenigstens ein Übergangsmetall
aus den Gruppen IB bis VIIB und VIII, Reihen 3, 4 und 5 des Periodensystems der Elemente ist, R organische
Reste, die gleich oder verschieden sein können, darstellt, die aus der Gruppe der linearen und verzweigten C.-C. „-Kohlenwasserstoff
e, cyclischen C^-C-p-Alkylgruppen, C2-C12-Alkenylgruppen,
C -C-pAlkinylgruppen, C^C-p-Alkoxygruppen,
Cc-C.Q-Aryloxygruppen und C^-C. ft-Arylgruppen ausgewählt
sind, und m eine ganze Zahl von 5 bis 7 und q eine ganze Zahl von 0 bis m bedeuten. Für m = 5 werden mit Chrom
und Kobalt leicht metallorganische Kationen mit dem erfor-
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derlichen Ionisationspotential gebildet, weshalb diese
Übergangselemente bevorzugt eingesetzt werden. Beispiele für neutrale metallorganische Verbindungen, die für die
praktische Durchführung der Erfindung geeignet sind, sind Co(C5H5)2, Cr(C6Hg)2 und
Ein Beispiel für die direkte Reaktion einer neutralen metallorganischen Verbindung, die, wie oben erörtert,
ein geeignetes niedriges Ionisationspotential besitzt, mit einer festen geschichteten Verbindung, die reduzierbare
Gruppen (H+) enthält, in einem inerten Lösungsmittel wird durch die folgende Reaktionsgleichung dargestellt:
H2
wobei χ etwa 0,5 oder kleiner ist. Als inertes Lösungsmittel kann jedes Lösungsmittel verwendet werden, das nicht
durch die metallorganische Verbindung reduziert wird. Beispiele für geeignete Lösungsmittel sind Toluol, Benzol
und Hexan.
Die Reaktion wird bei erhöhten Temperaturen ausgeführt, wobei Temperaturen von etwa 80 bis 120° C geeignet sind.
Die Reaktionsdauer liegt normalerweise bei wenigen Tagen bis mehreren Wochen, sie ist abhängig von den eingesetzten
Reaktionstei!nehmern.
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Die Reaktion wird vorzugsweise in Abwesenheit von Sauerstoff
durchgeführt, um unerwünschte Nebenreaktionen zu vermeiden. Geeignet sind als inerte Atmosphäre z. B.
Helium, Argon und Stickstoff oder ein partielles Vakuum.
Die erfindungsgemäßen metallorganischen Einlagerungsverbindungen werden leicht als geschichtete Verbindungen durch
Röntgenbeugung charakterisiert. Die Stöchiometrie wurde durch Elementaranalyse bestimmt. Diese erfindungsgemäßen
Einlagerungsverbindungen können als Katalysatoren oder als Katalysatorvorstufen, als Beugungsgitter und als
Kation-Austauschermaterialien verwendet werden.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele weiter erläutert.
Beispiel 1:
Ionenaustausch-Reaktion
Ionenaustausch-Reaktion
0,21 g Co(C H5)2PF- wurden in 30 ml einer 50 %igen wäßrigen
Methanollösung gelöst. Zu dieser Lösung wurden 0,20 g 2T-Zr(HPO4)-.2Η_0 zugefügt und die erhaltene Suspension
bei Zimmertemperatur 2 Tage lang gerührt. Es bildete sich ein gelber Feststoff, der abfiltriert und im Vakuum
getrocknet wurde. Röntgenbeugung und Elementaranalyse zeigten an, daß eine Einlagerung von Kobaltocen-Kationen
zwischen den Schichten des Zirkonphosphat-Kristallgitters stattgefunden hat.
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Beispiel 2:
Direkte Reaktion
Direkte Reaktion
Eine Mischung von 0,236 g d- -Zr(HPO4J2.H-O, 0,074 g
Co(C5H5)2 und 2,5 ml trockenem Toluol wurden in einem
Carius-Rohr mit einer inerten Heliumatmosphäre gegeben. Das Rohr wurde gekühlt, evakuiert und mit einem Brenner
zugeschmolzen. Anschließend wurde die Mischung 11 Tage lang auf 110 bis 120° C erhitzt, wobei das Überstehende
klar wurde, was die vollständige Umsetzung des Kolbatocen anzeigt. Der grüngelbe Feststoff wurde durch Filtrieren
abgetrennt und in einer inerten Heliumatmosphäre getrocknet. Es wurden 0,315g Zr(HPO ) ,,(PO.)- (Co(C H) ) erhalten,
wobei die Substanz durch Röntgenbeugung und Elementaranalyse identifiziert wurde. Die RöntgenbeugungsprofiIe des
Ausgangsmaterials Zr(HPO4)2.H2O und der als Endprodukt
erhaltenen Einlagerungsverbindung sind in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Die Lage der beiden zu den kleinen Winkeln
gehörenden Banden ("low angle peaks") zeigt an, daß die Entfernung der Zwischenschichten, die im Ausgangsmaterial
0,76 nm beträgt, sich im Endprodukt auf 1,22 nm erhöht hat.
Eine Mischung von 0,612 g HUO2PO..4H3O, 0,132 g Co(C5H5J2
und 2,5 ml Toluol wurden in ein Carius-Rohr mit einer inerten Heliumatmosphäre gegeben. Das Rohr wurde gekühlt,
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- ia -
evakuiert und mit einem Brenner zugeschmolzen. Nach viertägigem
Erhitzen auf 110° C war das überstehende klar, wodurch angezeigt wurde, daß die Umsetzung des Kobaltocen
vollständig war. Das gelbe feste Produkt (0,677 g) wurde durch Filtrieren abgetrennt. Anhand des Röntgenpulver-Beugungsdiagramms
konnte gezeigt werden, daß das Endprodukt mit einem Abstand der Zwischenschichten von 1,26 nm eine
Erweiterung des Abstandes von 0,41 nm gegenüber dem Ausgangsmaterial erfahren hatte. Dies zeigt zusammen mit der
Gewichtszunahme an, daß das Kobaltocen in den Raum zwischen den Schichten unter gleichzeitiger Entfernung von Wasser
e i nge1age rt wurde.
sy: wo
030028/0773
Claims (13)
1.\ Metallorganische Einlagerungsverbindung, bestehend
aus einem Wirtsteil und einem eingelagerten Gastteil,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wirtsteil eine Verbindung der Formel
dadurch gekennzeichnet, daß der Wirtsteil eine Verbindung der Formel
M(H1_yAyXO4)2.nH2O
oder der Formel
Hl-yAyT02X04inH20
ist, worin M wenigstens ein vierwertiges Metall-Kation ist, ausgewählt aus der Gruppe Zirkon, Titan, Hafnium,
030028/0773 ORIGINAL INSPECTED
Cer, Thorium, Zinn, Blei und Germanium, A wenigstens
ein einwertiges Kation ist, ausgewählt aus der Gruppe Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Ammonium
und substituiertem Ammonium der Formel RR1R11R111N ,
wobei R, R1, R" und R"1 Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffgruppen
darstellen, X wenigstens eines der Elemente Phosphor, Arsen oder Vanadin und T wenigstens
ein Element aus der Gruppe Uran und Transurane ist, y einen Wert von 0 bis 1 und η einen Wert von 0
bis 6 darstellt,
und der Gastteil aus einem metallorganischen Kation eines Übergangsmetalles aus den Gruppen IB bis VIIB
und VIII, Reihen 3, 4 und 5 des Periodensystems der Elemente besteht, an das 2 bis 6 Liganden gebunden
sind.
2. Metallorganische Einlagerungsverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch
Ionenaustauschreaktion mit dem Gastteil und einem metallorganischen Kation, das bei Raumtemperatur
gegenüber Wasser stabil ist, gebildet wird.
3. Metallorganische Einlagerungsverbindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Liganden frei ausgewählt sind aus der Gruppe der ungesättigten Kohlenwasserstoffe, Organophosphite,
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Organophosphine, Organoarsine, organischen Isocyanide, Kohlenmonoxid, Stickstoffoxid, Hydride, Halide,
Pseudohalide, Alkyle und Aryle.
4. Metallorganische Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das metallorganische
Kation ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus [Co(C5H5)2J + , [Fe(C5H5)(C6H5CH3)I+, [Co (CH3NC)5I + ,
[Rh(C6(CH3)6) (C2H4) 2]\ [Cr(C6H6) ,J + ,
[NiC3H5(P(OCH3)3)3]+ und
JRh t( C6H5) 2PCH2CH2 [(C6H5) 21 2] +.
5. Metallorganische Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch direkte Umsetzung
mit dem Gastteil und einer neutralen metallorganischen Verbindung gebildet wird, die (a) ein genügend
niedriges Ionisationspotential aufweist, so daß sie H+ reduzieren kann, und (b) ein stabiles entsprechendes
Kation besitzt.
6. Metallorganische Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die neutrale metallorganische
Verbindung dargestellt wird durch die Formel
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worin M1 wenigstens ein Ubergangsmetall, ausgewählt
aus den Gruppen IB bis VIIB und VIII, Reihen 3, 4 und 5 des Periodensystems der Elemente, ist, R aus
der Gruppe der geradkettigen und verzweigten C.-C.r,-Kohlenwasserstoffreste
("hydrocarbyls"), cyclischen C3-C12-Alkylgruppen, C2-C12-Alkenylgruppen, c 2~ci2~
Alkinylgruppen, C -C -Alkoxygruppen, Cg-C1g-Aryloxygruppen
und Cc-C1o-Arylgruppen ausgewählt ist, m eine
D Io
ganze Zahl von 5 bis 7 und q eine ganze Zahl von O bis
m darstellt.
7. Metallorganische Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß m gleich 5 ist.
8. Metallorganische Verbindung nach Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß M1 Chrom und/oder Kobalt
ist.
9. Metallorganische Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die neutrale metallorganische
Verbindung Co(C5H5)2, Cr(C6Hg)2 und/oder
ist.
10. Metallorganische Verbindung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Molverhältnis von eingelagertem Gastteil zu Wirtsteil etwa 0,5 oder weniger
beträgt.
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11. Metallorganische Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß y = 0 ist.
12. Verbindung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirtsteil der Einlagerungsverbindung im
wesentlichen aus Zr(HPO.)?.nH„O besteht.
13. Verbindung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirtsteil der Einlagerungsverbindung im
wesentlichen aus HUO PO .nH^O besteht.
030028/0773
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