JP2004292453A - アルキルアミンの製造及び焼成ゼオライト触媒のヒドロアミノ化活性を増大させる方法 - Google Patents

アルキルアミンの製造及び焼成ゼオライト触媒のヒドロアミノ化活性を増大させる方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ヒドロアミノ化により失活されていない焼成ゼオライト触媒のヒドロアミノ化活性を増大する方法、及びまたオレフィンとアンモニア、第一級もしくは第二級アミンとをヒドロアミノ化条件下に増大された活性を有する焼成ゼオライト触媒上で反応させることによってアルキルアミンを製造するための相応の方法を提供する
【解決手段】オレフィンとアンモニア、第一級もしくは第二級アミンとをヒドロアミノ化条件下に焼成ゼオライト触媒上で反応させ、その際、焼成ゼオライト触媒が100〜550℃で空気、窒素、他の不活性ガス又はその混合物の気体流中で反応開始前24時間以内に熱的に活性化させる、アルキルアミンの製造方法によって解決される
【選択図】なし

Description

本発明は、オレフィンとアンモニア、第一級又は第二級アミンとをヒドロアミノ化条件下に焼成ゼオライト触媒上で反応させることによってアルキルアミンを製造するための方法に関する。更に本発明は焼成ゼオライト触媒のヒドロアミノ化活性を増大させる方法並びに前記のようにして得られる触媒に関する。
アンモニア又は第一級もしくは第二級アミンによってオレフィンをアミノ化するための触媒としてゼオライトを使用することは比較的長い間知られている。このようにEP−A0133938号はオレフィン及びアンモニア、第一級、第二級アミン又はその混合物から触媒としてのペンタシル型のホウケイ酸ゼオライト又はホウゲルマニウム酸ゼオライトの存在下にアミンを製造する方法を記載している。得られるアミンを反応混合物から分離し、かつ未反応の出発材料を再循環させる。
前記の特許出願は、ゼオライト触媒が反応の間に炭素の堆積によって失活された後に、該触媒を空気又は空気/窒素混合物を使用して、400〜500℃、有利には約500℃でコーク堆積物を燃焼させることによって簡単な様式で再生できることを示している。触媒の初期活性は結果として回復されることが示される。前記のように失活されていない触媒の活性の増大は記載されていない。
EP−A0263462号は同様にオレフィン及びアンモニア、第一級もしくは第二級アミンから触媒としてペンタシル型のクロム含有のホウケイ酸ゼオライト又はクロム含有のケイ酸鉄ゼオライトの存在下にアミンを製造するための方法に関する。焼成ケイ酸鉄ゼオライト及びホウケイ酸ゼオライトは、これらをクロム化合物の溶液で含浸させることによってクロムでドープできることを示している。その含浸に引き続いて乾燥させ、その後に繰り返し焼成を実施してよい。またドープされたゼオライトの水素による後処理が有利なことを示している。更に炭素の堆積によって失活されている触媒の初期活性の回復が再度言及されている。
WO02/00597号は、オレフィンをアンモニア、第一級アミン及び/又は第二級アミンと、第一プロセス工程においてヒドロアミノ化条件下に反応させ、かつ得られた1つ以上のヒドロアミノ化生成物を第二プロセス工程においてアルキル基転移条件下に反応させるアルキルアミンの製造方法に関する。
特にゼオライト触媒を該反応で使用できることを指摘している。また、これらの酸触媒は今まで使用された材料を含むか、又は慣用の方法、例えば空気、水、二酸化炭素又は不活性ガス中で>200℃において水、酸又は有機溶剤で洗浄することによって、スチーミングすることによって又は減圧下に200℃より高温で処理することによって再焼成することによって再生された材料からなってよいことを指摘している。
WO97/07088号は、オレフィンをアンモニア、第一級もしくは第二級アミンと、ゼオライト触媒の存在下に反応させることによってアミンを製造するための方法に関する。この方法において、ホウ素β−ゼオライトをゼオライト触媒として使用する。とりわけ、ホウ素β−ゼオライトはバインダーと一緒に成形して押出物又はペレットを形成することができると指摘されている。成形後に、該押出物又は圧縮物を乾燥かつ焼成させ、その際、焼成はまたアミノ化反応器中で直接実施できる。更に、選択性、作業寿命及び可能な再生数を増加させるための種々の措置が言及され、かつ溶液からの金属の適用も議論されている。このように乾燥に引き続いて繰り返し焼成してよい。
反応器中での焼成は反応器の外部での焼成を上回る活性の利点を有さない。更に未焼成触媒は軟質であり、従って反応器、例えば管型反応器中に導入する際にダストに分解される。押出触媒は焼成の結果としてのみ硬くなるに過ぎない。
ヒドロアミノ化により失活されていない焼成ゼオライト触媒のヒドロアミノ化活性の増大を達成する記載はどの文献にもない。
EP−A0133938号 EP−A0263462号 WO02/00597号 WO97/07088号
本発明の課題は、ヒドロアミノ化により失活されていない焼成ゼオライト触媒のヒドロアミノ化活性を増大する方法、及びまたオレフィンとアンモニア、第一級もしくは第二級アミンとをヒドロアミノ化条件下に増大された活性を有する焼成ゼオライト触媒上で反応させることによってアルキルアミンを製造するための相応の方法を提供することである。更に相応の増大された活性を有する触媒が提供されるべきである。
前記課題は、オレフィンとアンモニア、第一級もしくは第二級アミンとをヒドロアミノ化条件下に焼成ゼオライト触媒上で反応させ、その際、焼成ゼオライト触媒が100〜550℃で空気、窒素、他の不活性ガス又はその混合物の気体流中で反応開始前24時間以内に熱的に活性化させる、アルキルアミンの製造方法によって解決されることが判明した。
また前記課題は、焼成ゼオライト触媒を100〜550℃で空気、窒素、他の不活性ガス又はその混合物の気体流中で熱処理することにより、ヒドロアミノ化によって不活性化されていない焼成ゼオライト触媒のヒドロアミノ化活性の増大方法によって解決される。
本発明によれば、使用直前のゼオライト触媒の熱的活性化はその活性の増大を可能にすることが判明した。特にこの効果は反応中に使用されておらず、製造/焼成の後の比較的長い時間の間、貯蔵されていた新鮮な触媒の場合に生じる。ゼオライト触媒はその製造/焼成の数日後以内に活性の大きな低減が懸念されている。本発明の方法は貯蔵前の触媒の初期活性を回復するだけでなく、活性を更に増大させることができる。
ヒドロアミノ化活性の増大方法において、熱処理はゼオライト触媒が使用されるヒドロアミノ化の開始前24時間以内に実施される。アルキルアミンの製造方法において、焼成ゼオライト触媒を同様に反応の開始前24時間以内に熱的に活性化させる。
焼成ゼオライト触媒は、有利には反応の開始前6時間以内、特に有利には2時間以内、特に直前に熱的に活性化される。表現「反応の開始前24時間以内」とは、熱的活性化の終わりとヒドロアミノ化における反応の開始との間の時間間隔を指す。特に有利な場合に、熱的活性化の直後に反応させる。これは、特に有利には熱的処理をアミノ化反応器自体で実施する場合に達成できる。この場合に触媒をまず熱活性化の後に冷却し、かつアミノ化反応器に移す必要がなく、その代わりにアミノ化反応器中に残す。熱活性化のために使用される空気、窒素、他の不活性ガス又はその混合物の気体流をアンモニア、第一級もしくは第二級アミン及びオレフィンの流れによって、熱的活性化の直後にヒドロアミノ化において反応するように入れ替えてよい。しかしながら触媒の短時間の冷却は重要でない。熱活性化と反応の開始との間の時間間隔が短ければ、焼成ゼオライト触媒の活性は大きくなる。
熱活性化は100〜550℃、有利には150〜525℃、特に200〜500℃で実施される。熱的活性化は、空気、窒素、他の不活性ガス又はその混合物の気体流中で実施される。空気、窒素又はアルゴン、特に空気、窒素又は空気/窒素混合物を使用することが有利である。該活性化は、通常、該系の圧力又は大気圧で実施される。しかしながら減圧又は増大された圧力を使用してもよい。適当な圧力範囲は0.5〜100バール、特に有利には1〜50バールである。
熱的活性化は、有利には3〜50時間、特に有利には5〜40時間、特に10〜25時間の時間にわたり実施される。活性化時間はそれぞれの場合に、温度とゼオライト触媒の貯蔵状態及び実際の必要条件の関数として選択できる。
熱的処理はアミノ化反応器の外部で、例えば回転管型炉、ベルト式焼成炉又は棚型炉中で実施してよい。しかしながら活性化は、有利にはアミノ化反応器中で直接実施される。この目的のために予熱されたガス流をオレフィン/アンモニウム混合物の代わりに触媒床中に導通させる。該触媒は特に有利には固定床として存在する。
本発明による熱的活性化とゼオライト触媒の実際の焼成との間には違いがある。実際の焼成は有利には回転管型炉中で実施される。それというのも焼成のために必要な400〜560℃の範囲の温度が回転管型炉中では管型反応器中よりも迅速に達成できるからである。管型反応器は通常230〜320℃の範囲の反応温度のために設計されている。副生成物、例えば焼成中に形成される水、一酸化炭素、二酸化炭素及び窒素酸化物は引き続いてのアミノ化反応において干渉し、かつ少なからぬ費用でアミノ化反応器から除去する必要がある。
焼成ゼオライト触媒は本発明の方法で使用される。これは、触媒の活性組成物がゼオライトから製造されることを意味する。ゼオライト触媒は通常、更に成形触媒体を製造するために必要なバインダーを含有する。適当な成形組成物から成形触媒体を製造するにあたり、乾燥に引き続いて焼成を行い、最終的な触媒を得ることが慣用である。
成形触媒体の製造を包含する工程は焼成である。これは一般にバインダー材料の硬化のために400℃より高い温度が必要である。最大温度は550℃より高い温度でその結晶性を失うゼオライトの安定性によって制限される。工業的規模では、焼成は回転管型炉中で400〜560℃において、かつ2〜4時間の滞留時間で実施される。研究室規模では、室炉を使用し、480〜520℃で2〜32時間にわたり焼成を実施することが慣用である。
アンモニア及び/又は第一級アミンを用いるオレフィンのヒドロアミノ化のために適当な触媒は、ゼオライト、特にファージャサイト、例えばX、Y及びUSY−ゼオライト、エリオナイト、チャバサイト、モルデナイト、オフレタイト、クリノプチオライト、ペンタシル、例えばZSM−5及びZBM−10、ZSM−11、ZSM−12、MCM−22、MCM−41、MCM−48、MCM−49、MCM−56、EMT、SSZ−26、SSZ−33、SSZ−37、CIT−1、PSH−3、NU−85、β−形、またホウ素含有形、例えばZBM−11、H−ホウ素−ZSM−5、H−ホウ素−β、H−ホウ素−ZSM−11、またガリウム又はチタン含有の形である。これらは高い表面積と組み合わされて多数の触媒活性中心を有する。
前記のゼオライトは製造後の後処理の種類及び様式において異なる(例えば熱処理、脱アルミ化、酸処理、金属イオン交換など)。
適当なゼオライトの例はUS−A−4,375,002号、US−A4,536,602号、EP−A305564号、EP−A101921号及びDE−A4206992号に見られる。
EP−A133938号、EP−A431451号及びEP−A132736号から公知の記載されるようにアルカリ金属、アルカリ土類金属及び遷移金属でドープされたホウ素、ガリウム、ケイ酸アルミニウム及びケイ酸鉄ゼオライトも適当である。
適当なゼオライトの更なる例はCA−A2092964号から公知のβ−ゼオライトであり、これらは規定の組成及び5Åより大きな細孔寸法を有する晶質のアルミノケイ酸塩として定義される。
例えばDE−A19530177号に記載される金属又はハロゲン変性されたβ−ゼオライトを使用することが有利である。
EP−A132736号に開示される10以上のSiO/Alモル比を有するペンタシル型のゼオライト触媒も特に有用である。
リン酸アルミニウム及びシリコアルミノリン酸塩はゼオライト構造又はゼオライト様構造、例えばDE−A19601409号に記載されるようなSAPO−37、AlPO−5、SAPO−5及び、例えばDE−A4431093号に記載されるような非晶質の系を含む。これらは一般に式Al*P*xSiOを有する。
該触媒は粉末の形又は、有利には成形体、例えば押出物、ペレット又は粉砕材料の形で使用してよい。成形の目的のために、2〜60質量%(成形されるべき組成物に対して)のバインダーを添加してよい。適当なバインダーは種々の酸化アルミニウム、有利にはベーマイト、25:75〜95:5のSiO/Alモル比を有する晶質アルミノケイ酸塩、二酸化ケイ素、有利には微細SiO、例えばシリカゾル、微細SiOの混合物及び微細Al、微細TiO及びクレイを含む。
成形後に、押出物又は圧縮物を、有利には80〜150℃で2〜16時間、例えば110℃/16時間乾燥させ、かつ300〜500℃で2〜16時間焼成する。活性化と同様に焼成はヒドロアミノ化反応器中で直接実施してもよい。
該触媒は一般にH形で使用される。しかしながら選択性、作業寿命及び可能な触媒再生の回数を増加させるために触媒に種々の変性を行ってもよい。
触媒変性の1つの方法は未成形触媒をアルカリ金属、例えばNa及びK、アルカリ土類金属、例えばCa、Mg、重金属、例えばTl、遷移金属、例えばMn、Fe、Mo、Cu、Zn、Cr、貴金属及び/又は希土類、例えばLa、Ce又はYによってイオン交換又はドープすることである。
有利な触媒の態様において、成形触媒を流動管中に装入し、かつ例えば前記の金属のハロゲン化物、酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩又は硝酸塩を溶解された形で前記流動管中に20〜100℃で通過させる。かかるイオン交換は、例えば触媒の水素形、アンモニウム形又はアルカリ金属形で実施してよい。
触媒に金属を適用する別の可能な方法はゼオライト材料を、例えば水溶液又はアルコール溶液における前記の金属のハロゲン化物、酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩、硝酸塩又は酸化物で含浸させることである。
イオン交換と含浸の両方とも引き続いて乾燥、かつ所望であれば繰り返し焼成が行われる。金属ドープされた触媒の場合には、水素及び/又は水蒸気での後処理が有利なことがある。
触媒変性の更なる可能な方法は、成形又は未成形の不均一系触媒材料に、酸、例えば塩酸(HCl)、フッ化水素酸(HF)、リン酸(HPO)、硫酸(HSO)、シュウ酸(HOC−COH)又はその混合物での処理を行うことである。
有利な態様において、該触媒粉末をフッ化水素酸(0.001〜2モラー、有利には0.05〜0.5モラー)で還流下に成形前に1〜3時間処理する。粉末を濾過及び洗浄した後に、一般に100〜160℃で乾燥させ、かつ400〜550℃で焼成する。
更なる特定の態様において、不均一系触媒を成形後にバインダーと一緒にHClで処理する。ここで、不均一系触媒を一般に3〜25%濃度、特に12〜20%濃度の塩酸で60〜80℃において1〜3時間処理し、引き続き洗浄し、100〜160℃で乾燥させ、かつ400〜550℃で焼成させる。
触媒変性の別の可能な方法は、アンモニウム塩、例えばNHCl又はモノアミン、ジアミン又はポリアミンと交換することである。ここでバインダーと一緒に成形された不均一系触媒を一般に連続的に60〜80℃で10〜25%濃度、有利には約20%濃度のNHCl溶液によって不均一系触媒と塩化アンモニウムとの質量比1:15で2時間にわたり交換し、次いで100〜120℃で乾燥させる。
アルミニウム含有触媒で実施できる更なる変性は、アルミニウム原子の一部をケイ素に置き換えるか、又は触媒のアルミニウム含量を、例えば水熱処理によって低減させる脱アルミ化である。水熱的脱アルミ化に引き続いて、有利には酸又は錯形成剤で抽出して、形成される非格子状アルミニウムを除去する。アルミニウムのケイ素による交換は、例えば(NHSiF又はSiClによって達成できる。Yゼオライトの脱アルミ化の例はCorma et al., Stud. Surf. Sci. Catal. 37(1987), 495〜503頁に見られる。
該触媒は、例えば1〜4mmの直径を有する押出物又は、例えば3〜5mmの直径を有するペレットとして、オレフィンのヒドロアミノ化のために使用できる。
無機固体状態の酸の存在下のオレフィンとアンモニア及び/又は第一級アミンとの反応は、例えばEP−A132736号、EP−A752409号及びEP−A822179号に記載されるように実施してよい。
通常の手順は、アンモニア及び/又は第一級アミン又は、所望であれば第二級アミンとオレフィンとを1:1〜10:1のモル比、有利には1:1〜5:1のモル比で混合し、かつこの混合物を80〜400℃、有利には230℃〜320℃並びに40〜700バール、有利には200〜300バールにおいて気相又は超臨界状態で固定床反応器又は流動床中で反応させることである。
選択的に、該反応は液相において60〜120℃及び40〜80バールの圧力において撹拌容器、固/液移動相又は流動管中で実施してよい。
この方法の1つの態様はモル比1:1〜5:1で混合されたアンモニア及び/又は第一級もしくは第二級アミンとオレフィン又はオレフィン混合物をゼオライト触媒が存在する固定床反応器中に供給し、かつ該混合物を200〜350℃、有利には220〜330℃で、特に230〜320℃及び100〜320バール、有利には150〜310バール、特に200〜300バールにおいて気相又は超臨界状態で反応させることを含む。
平衡の位置、ひいては所望のヒドロアミノ化生成物への変換は選択される反応圧に強く依存する。より高い圧力により付加生成物が優勢となるが、300バールまでの圧力範囲が一般に工業的かつ経済的理由から最適である。反応の選択性は温度及びパラメーター、例えばアンモニア/アミン過剰及び触媒によって高度に影響される。付加反応の反応速度が温度の増大に伴って極めて高まるので、選択性を低下させる二次反応が同時に促進されることがある。付加的に温度の増大は通常、熱力学的観点から有利でない。変換及び選択性に関する最適温度の位置はオレフィン、使用される第一級アミン及び触媒の構成に依存し、かつ通常は220〜320℃の範囲である。
本発明の方法において、アンモニア、第一級もしくは第二級アミンを出発材料として使用する。第一級又は第二級アミンは、有利にはC〜C20−アルキル基、特に有利にはC〜C−アルキル基、特にメチル基又はエチル基を有する。
オレフィンとして、脂肪族のC〜C20−オレフィンを使用することが有利である。これらのオレフィンはこの場合には直鎖状又は分枝鎖状であってよい。C〜C12−オレフィン、特にC〜C−オレフィンが有利に使用される。適当なオレフィンの例はエテン、プロペン、ブテン、イソブテン及び1,3−ブタジエンである。
アンモニアとは別個に、殊に有利なアミンはモノメチルアミン、ジメチルアミン、モノエチルアミン、ジエチルアミン、n−ブチルアミン、イソプロピルアミン、ジイソプロピルアミン及びジ−n−ブチルアミンである。
エテン及びアンモニアから得られるヒドロアミノ化生成物はモノエチルアミン、ジエチルアミン及び/又はトリエチルアミンであり、エテン及びモノエチルアミンから:ジエチルアミン及び/又はトリエチルアミン、イソブテン及びアンモニアから:t−ブチルアミン、1,3−ブタジエン及びアンモニアから:1−アミノ−3−ブテン及び/又は2−アミノ−3−ブテン、1,3−ブタジエン及びn−ブチルアミンから:(2−ブテニル)−n−ブチルアミン及び/又は(3−ブテニル)−n−ブチルアミン並びにプロペン及びイソプロピルアミンから:ジイソプロピルアミン。
オレフィンとアンモニア及び/又はアミンとの反応は前記の文献に記載のように実施してよい。該反応は連続的、回分式又は半回分式に実施してよい。
回分法においては、触媒を有利にはアミンと一緒に反応容器中に装入する。反応温度に達したら、該容器にオレフィンを圧入する。圧力が降下したら、生成物又は生成物混合物を留去する。過剰のオレフィン及び未反応のアミンを再循環してよい。
回分法において、触媒を生成物混合物と一緒に反応器底部から排出させ、かつ別個に後処理してよい。該反応は撹拌容器中で実施してよい。
適当な回分法及び連続法はWO02/00597号及び前記に引用した文献中に記載される。特に有利には成形体としてゼオライトが使用され、その際、オレフィンとアンモニアとの反応は200〜300℃及び200〜300バールの圧力で実施される。
焼成ゼオライト触媒のヒドロアミノ化活性を増大させる新規の方法によって得られる触媒は非活性化触媒と比較して高められた活性を示し、かつこれは生成物収率の増大に導く。従って本発明は該活性化法によって得られる触媒を提供する。
本発明の方法で使用される触媒は、有利には熱活性前にヒドロアミノ化で使用されない。従ってこれらの触媒は、熱活性化前に貯蔵されただけで、反応中に存在していない新鮮な触媒である。前記のように本発明の方法で使用される触媒は、特に先行技術により再焼成されている触媒とは異なる。
本発明を以下の実施例によって説明する。
該実施例は、イソブテン及びアンモニアからのホウ素β−ゼオライト触媒上でのt−ブチルアミン(TBA)の合成に関する。ホウ素β−ゼオライトの製造及び該ゼオライトの成形はEP844991号に記載されるのと類似の方法によってバインダーとしてベーマイトを使用して実施される。バインダーの量は、仕上げられ、焼成された触媒が26%のAlを含有するように選択された。
性能試験を連続的に作業されるパイロットプラント中で実施した。イソブテン/アンモニウム混合物(モル比1:1.5)を管型反応器(内径:8mm)中で粉砕材料(1〜1.6mm)としての10gの触媒に導通させる。温度は270℃、圧力は280バールであり、かつ空間速度は2.6g(イソブテン)/g(触媒)hである。
例1:(ex-situ再生)
試料を新たに製造されたホウ素β−触媒のバッチから種々の時間(1日、6日、51日)後に採取し、かつパイロットプラント中で試験した。残留物を58日後に空気の存在下に炉中で500℃において16時間活性化させ、かつ冷却直後に反応器中に取り付けた。TBA(t−ブチルアミン)収率は貯蔵が長くなるに伴い低下するが、後焼成触媒は依然として1日だけ後の触媒の活性を超過することが理解できる。
Figure 2004292453
例2:(ex-situ再生)
新たに製造されたホウ素β−ゼオライト触媒を3日間貯蔵し、かつ次いでパイロットプラント中で試験した。同じバッチからの更なる触媒を21日後に取り付けるが、該触媒に窒素を反応の開始22時間前に300℃で導通させた。前記のように活性化された触媒を未処理の触媒より相当高いTBA収率を示した。
Figure 2004292453
例3:(in-situ再生)
貯蔵された触媒をパイロットプラントの反応器中に取り付け、15.4モル%の活性が示された。次いでフィードの供給を切り替え、かつ窒素を反応器中で触媒に300℃で22時間導通させた。反応器を再び始動させた場合に、16.2モル%のTBAまでの活性の増大が見いだされた。

Claims (9)

  1. オレフィンをアンモニア、第一級もしくは第二級アミンと、ヒドロアミノ化条件下に焼成ゼオライト触媒上で反応させることによってアルキルアミンを製造するための方法であって、その際、焼成ゼオライト触媒を100〜550℃で空気、窒素、他の不活性ガス又はその混合物の気流中で、反応開始前24時間以内に熱的に活性化させる、アルキルアミンの製造方法。
  2. 焼成ゼオライト触媒を反応開始前6時間以内に熱的に活性化させる、請求項1記載の方法。
  3. 熱的活性化をアミノ化反応器中で実施する、請求項1又は2記載の方法。
  4. 焼成ゼオライト触媒が熱活性化前にヒドロアミノ化によって失活されていない、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. ゼオライト触媒がファージャサイト、エリオナイト、チャバザイト、モルデナイト、オフレタイト、クリノプチオライト、ペンタシル、β−ゼオライト及び、そのホウ素含有、ガリウム含有又はチタン含有の形及びその混合物から選択される、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. 焼成ゼオライト触媒の空気、窒素、他の不活性ガス又はその混合物の気流中での100〜550℃での熱処理によるヒドロアミノ化によって失活されていない焼成ゼオライト触媒のヒドロアミノ化活性を増大させる方法。
  7. 熱処理を、ゼオライト触媒を使用するヒドロアミノ化の開始前24時間以内に実施する、請求項6記載の方法。
  8. 焼成ゼオライト触媒が熱活性化前にヒドロアミノ化で使用されていない、請求項6又は7記載の方法。
  9. 請求項6又は7記載の方法によって得られる触媒。
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