DE2430567C2 - Verfahren zur Herstellung von Anthrachinon - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Anthrachinon

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DE2430567C2 DE2430567A DE2430567A DE2430567C2 DE 2430567 C2 DE2430567 C2 DE 2430567C2 DE 2430567 A DE2430567 A DE 2430567A DE 2430567 A DE2430567 A DE 2430567A DE 2430567 C2 DE2430567 C2 DE 2430567C2
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Description

la,
In der die einzelnen Reste Ri, Rj und R« gleich oder verschieden sein können und jeweils ein WasserstofTatom oder einen aliphatischen Rest bedeuten, darüber hinaus aueh die beiden Reste R< und/oder die beiden Reste R« jeweils zusammen eine Oxogruppe bezeichnen können, und/oder R4 und ein Rest R» zusammen für einen aliphatischen Rest mit einem substituierten Methylenrest oder mit mindestens 2 Kohlenstoffatomen oder auch, sofern die Reste R« eine Oxogruppe bedeuten, für einen unsubstltuierten Melhylenrest stehen können oder beide Reste Rj und ein Rest R« oder ein Rest Rs und beide Reste R4 oder beide Reste R5 und beide Reste R* jeweils zusammen auch einen aliphatischen Rest bedeuten können, mit Sauerstoff In der Gasphase in Gegenwart von Vanadlum-V-VerbJndungen als Katalysator bei erhöhter Temperatur,
Es Ist insbesondere auch Gegenstand des deutschen Patents 20 50 798 ein Verfahren zur Herstellung von Anthrachinon durch Oxidation von Diphenylmethanderivaten der Formel
worin die einzelnen Reste R1, R2 und R3 gleich oder verschieden sein können und jeweils ein WasserstofF-atom oder einen Aikyiresi mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedeuten, mit Sauerstoff in der Gasphase In Gegenwart von Vanadiumpentoxid im Gemisch mit Titandioxid als Katalysator bei erhöhter Temperatur, nach Patent 2050798, dadurch gekennzeichnet, daß man die Diphenylmethanderivate der Forme! I In Gegenwart eines Katalysators, der Titandioxid und Vanadiumpentoxid In einem Gewichtsverhältnis von 0,004 bis 0,35 Teilen Vanadiumpentoxid, bezogen auf 1 Teil Titandioxid, enthält, oxidiert.
worin die einzelnen Reste R1, R2 und RJ gleich oder ver schieden sein können und jeweils ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedeuten, mit Sauerstoff In der Gasphase in Gegenwart von Vanadiumpentoxid Im Gemisch mit Titandioxid als Katalysator bei erhöhter Temperatur.
In allen Beispielen wird Vanadium-(V)-oxid als Komponente eines Vanadlum-V-Katalysators, der als zweites Metall noch Antimon enthält, beschrieben. Titan und bestimmte Mengenverhältnisse von Titandioxid und Vanadiumpentoxid werden nicht als spezifische Kataly satoren fur in 2-Stellung an einem Ring durch einen ali phatischen Rest substituiertes Dlphenylmethan und entsprechende, an der Methylengruppe durch allphatlsche Reste substituierte Diphenylmethane aufgeführt. Alle Beispiele zeigen Acyclische Verbindungen In Gestalt von Indenderlvaten, Indanonderlvaten und Naphthalinderivaten. Die verwendeten Katalysatoren wenden vorteilhaft auf einem Träger nach einem Flammsprttz- oder Pias* masprltzverfahren aufgetragen; ein solcher Auftrag ergibt Schichten ohne Innere Oberfläche bzw. nur mit sehr geringer Innerer Oberfläche.
Oxidiert man in 2-SielIung an einem Ring durch einen aliphatischen Rest substituiertes Dlphenylmethan und entsprechende, an der Methylengruppe durch allphatlsche Reste substituierte DlphenyJmelhane mit dem In
so den Beispielen beschriebenen Antlmon-Vanadlum-V-Katalysator, was In der Offen^aungsschrlft nicht beschrieben wird, so erhält man Ausbeuten bis zu 58% J".r Theorie. Neben Anthrachinon fallen weitere Nebenstoffe an. Geh: man z. B. vom 2-Methyl-dlphenylmethan aus, so enthalten die Reaktionsgase im allgemeinen neben Anthrachinon Phthalsäureanhydrid, Benzoesäure, Maleinsäureanhydrid, Fluorenon, Xanthon, Benzophenon, Benzaldehyd, 3,3'-Splrodlphthalld, Sauerstoff und Begleitgase, z. B. Wasserdampf, Kohlenmonoxid, Koh lendloxld.
Zwar kann man einen Teil der In Wasser oder Alkall löslichen Nebenstoffe durch entsprechende Waschoperationen abtrennen. Es Ist aus der deutschen Auslegeschrift 1127 873 bekannt, daß man ein Anthrachlnondampf- Luft-Gemisch, wie es bei der katalytlschen Oxidation von Anthracendampf an einem alkalischen Vanadinoxid· katalysator anfällt, durch Verdampfung von wäßrigen Flüssigkeitsnebeln abkühlt, wobei Anthrachinon konden-
siert und als praktisch völlig trockenes Pulver anfällt. Die Auslegeschrift lehrt, daß 4er Flüssigkeitsnebel und somit das zugeföhrte Wasser In der Bebandlungszone vollständig und sofort In Wasserdampf übergehen. Die Temperatur des zugeföhnen Wassers betrögt 100° C, dem Trägergas wird somit nur die der Verdampfungswärme des Wassers entsprechende Wärmemenge entzogen. Das Trägergas soll sich nur auf eine Temperatur abkühlen, bei der die Sättigungskonzentration an dampfförmigen, verunreinigenden Begleitstoffen im Trägergas noch nicht erreicht wlnL Um eine sofortige und vollständige Verdampfung zu erzielen, werden bestimmte Ausführungsformen bezüglich der Wasserzerstäubung und bezüglich der Wassertropfengröße bevorzugt. Zur Bildung der Flüssigkeitsnebel werden destilliertes oder enthärtetes Wasser verwendet. Im Falle von Trägergasen, die Wasserdampf enthalten, z. B. bei Reaktionsgasen der Anthrachlnonsynthese, muß das Behandlungsgefäß gut isoliert oder sogar beheizt werden, damit sich nicht Wasser an den Gefäßwänden kondensiert (Spalte 5, Zeilen 37 bis 50).
Nach der Lehre der Ausiegeschrift Ist ein Abschrecken des Sublimats auf tiefe Temperaturen durch z. B. einen feinen Sprühregen von Wasser bzw. kaltes Wasser ungesteuert, und Korngröße sowie Reinheit des so kondensierten Endstoffes können nicht kontrolliert werden. Ein solches Verfahren Ist, wie Spalte 2 der Auslegeschrift schildert, um so weniger angezeigt, wenn der sublimierte Stoff von Verunreinigungen begleitet ist, wie sie bekanntlich bei der Anthrachinonhcrstellung anfallen.
CH3
CH2
+ 5O2
Die Gefahr der Abtrennung eines unreinen Endstoffes wird hervorgehoben.
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht vor allem darin, daß die trockene Abscheidung von Anthrachinon-
s kristallen die Gefahr von Staubexplosionen und Bränden in der Behandlungszone (Desubllmator) und den Abscheideapparaten mit sich bringt. Darüber hinaus geht bo( einem höheren Gehalt an Nebenprodukten infolge des entsprechenden, höher liegenden Taupunktes ein
to Teil des dampfförmigen Antrachinons im Abgas Vi_rloren, das kondensierte Anthrachinon kann dabei stärker verunreinigt sein.
Durch vorgenannte Operationen lassen sich aber in Wasser oder alkalischen Lösungen unlösliche Neben stoffe, wie Insbesondere Fluorenon, Xanthon oder Ben- zophenon nicht entfernen. Bei späteren Umsetzungen, gerade auch bei der Farbstoffsynthese, verschlechtern diese Nebenstoffe die Ausbeute und Reinheit der Folgeprodukte, so daß zusätzliche und unwirtschaftliche
Reinigungsoperationen benötigt werden.
Es wurde nun gefunden, daß sich das Verfahren des Hauptpatents weiter ausgestalten läßt, wenn man die Diphenylmethanderivate I in Gegenwart eines Katalysators, der Titandioxid und Vanadlumpentoxld In einem Gewichtsverhältnis von 0,004 bis 0,35 Teilen Vanadiumpentoxid, bezogen auf 1 Teil Titandloxid, enthält, oxidiert.
Die Umsetzung läßt steh für den Fall der Verwendung von 2-Methyl-dIphenyImethan durch die folgenden
Formeln wiedergeben:
+ 6H2O
Im Vergleich zum Stand der Technik liefert das Verfahren nach der Erfindung überraschend auf einfachere und wirtschaftlichere Weise Anthrachinon in besserer Reinheit, insbesondere mit Bezug auf in Wasser und Alkallen unlösliche Nebenstoffe. Die Oxide von Vanadium und Titan in vorgenannten Mengenverhältnissen erweisen sich als Katalysatoren der Anthrachlnonherstellung von hoher Selektivität für die Oxidation vorgenannter Dlphenyimethanverblndungen. Die Abtrennung des Anthrachlnons von den Nebenstoffen meiner Herstellung Ist wesentlich vereinfacht, zusätzliche Reinigungsoperationen werden vermieden und somit die Wirtschaftlichkeit der Farbstoffproduktion verbessert. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden neben Anthrachinon In der Regel nur leicht flüchtige bzw. In Alkallen gut lösliche Nebenprodukte gebildet, z. B. wird durch eine alkalische Wäsche der aus dem Reaktlonsgas kondensierten Reaktionsprodukte Im allgemeinen ein Anthrachinon mit einer Reinheit von Ober 99,0% erhalten. Alle diese vorteilhaften Ergebnisse sind überraschend, denn es war nach dem Stand der Technik anzunehmen, daß größere Mengen an Oxidationsprodukten und Zersetzungsprodukten und Insbesondere keine geringeren Mengen an unlöslichen Nebenprodukten gebildet werden und sich die Ausbeute an Anthrachinon somit verschlechtert. Ebenfalls war Im Hinblick auf das deutsche Patent 20 50 798 nicht zu erwarten, daß diese spezifische Katalyse der Oxidation von Alkyldlphenylmethanen durch einen Katalysator bewirkt wird, der neben Vanadium nur Titan In wesentlich höherer Menge enthält und vorteilhaft eine vergleichsweise hohe innere Oberfläche besitzt. Die Ausgangsstoffe I können In bekannter Welse her-
So gestellt werden, z. B. 2 -Benzyltoluol durch Umsetzung von Benzylchlorid und Toluol (Ber. 6 [1873], 906). Die an der Methylengruppe substituierten Homologe der genannten Ausgangsstoffe können in analoger Welse, z. B. durch Umsetzung von Toluol mit entsprechend substituierten Styrolen, erhalten werden. Bevorzugte Ausgangsstoffe 1 sind solche, In deren Formel R1, Ri, R], gleich oder verschieden sein können und jeweils ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1, 2 oder 3 Kohlenstoffatomen bedeuten.
Beispielsweise kommen folgende Verbindungen als Ausgangsstoffe I In Frage: 2-Butyl-, 2-lsopropyl-, 2-lsobutyh 2=tert.=Butyl·, 2*Propyl·, 2-Äthyh 2=sek,-Butyl- und vorzugsweise 2-Methyl-dlphenylmethan sowie entsprechende am Methylenglied durch Methyl-, Äthyl-, Isopropyl-, η-Butyl-, Isobutyl-, sek.-Butyl- oder Propylgruppen einfach oder durch zwei gleiche oder verschiedene der vorgenannten Gruppen zweifach substituierte Homologe.
Die Oxidation wird In der Regel mit einem Sauerstoff-QberschuB durchgeführt. Im allgemeinen verwendet man Sauerstoff In Gestalt von Luft, ebenfalls können beliebige Gemische von Sauerstoff und unter den Reaktionsbedingungen Inerten Gasen, wie Argon, Wasserdampf, Stickstoff und/oder Kohlendloxid oder Rauchgas zur Anwendung gelangen. Bevorzugt, insbesondere im Falle des 2-Methyidlphenylmethans, beträgt die Belastung 15 bis 700, vorteilhaft 20 bis 164, Insbesondere 28 bis 82 Mol Sauerstoff pro 1 Mol Ausgangsstoff I. Man verwendet zweckmäßig von 20 bis 500, vorteilhaft 100 bis 300, Gramm Ausgangsstoff I pro Liter Katalysator (bzw. Katalysator auf Träger) und Stunde im kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Betrieb. Der Katalysator enthält die Oxide in einem Gewichtsverhältnis von 0,004 bis 0,35, zweckmäßig 0,01 bis 0,1, vorzugsweise 0,02 bis 0,059, insbesondere 0,02 bis 0,045 Teile Vanadiumpentoxid, bezogen auf 1 Teil Titandioxid. Es können auch Verbindungen verwendet werden, die bei der Katalysaeinem durchschnittlichen Durchmesser zwischen 2 und 12 Millimeter, Zur Herstellung tragerloser Katalysatoren können z. B, Titandloxid und Vanadlumpentoxld gemischt bzw. Titandioxid mit einer wäßrigen lösung
von Vanadyloxalat getränkt und anschließend getrocknet bzw. Vanadlnpentoxld und Titandioxid gemeinsam durch geeignete Fällungsmittel, z. B. Ammoniak, Alkalihydroxide, aus wäßrigen Lösungen ihrer Salze geeilt und getrocknet werden; die gebildeten Katalysatoren
ίο können dann, z. B. mit Hilfe einer Strangpresse, In entsprechende Formlinge übergeführt werden. Die Katalysatoren können durch Fällung oder durch Eindampfen einer Lösung von Ammonium-vanadat mit den entsprechenden Titansalzen, z. B. Lösungen von Titan-(III)-oxalat, Filtration und Trocknen des MetaHoxldniederschlags hergestellt werden.
Durch Zugabe des Trägermaterials vor oder während der Fällung wird der Katalysator gleichzeitig auf dem Träger fein verteilt. Ebenfalls kann die Suspension der
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torherstellung oder während der Reaktion die Oxide der 20 Oxide durch Tränken oder Sprühen auf den Trager aufgevorgenannten Metalle bilden. Solche Verbindungen sind z. B. Hydroxide, Oxide in geringerer Wertigkeit oder Saize, wie Carbonate, Bicarbonate oder Nitrate der vorgenannten Metalle. So kommen in Frage: Titanhydroxid, Titan-II-sulfat, Tltan-II-oxid, Titan-IV-chlorid, Titan-IV-chlorat, Titancarbonat, Titannitrat, Titanbicarbonat, Titantartrat, Tltanformiat, Titancitrat, Titanacetat; Vanadyloxalat, Vanadlumformiat, Vanadiumhydroxid, Vanadiumcarbonat, Vanadiumnitrat, Vanadiumblcarbonat, Vanadiumacetat, Vanadiumtartrat, Vanadiumchlorid, Vanadlumcitrat, Ammoniumvanadat, Vanadium-IV-oxid. Entsprechend können im Katalysator neben den erfindungsgemäßen Anteilen an Titandioxid und Vanadiumpentoxid noch Anteile an nicht erfindungswesentlichen, diese Oxide bildenden, aber noch nicht oder nur teilweise oxiulerten Titanverbindungen und Vanadiumverbindungen sowie an Titanoxiden und Vanadiumoxiden geringerer Wertigkeit oder an durch andersartige Umsetzungen der Titan- und/oder Vanadium-Verbindung während der Reaktion gebildeten Stoffen, z. B. Titanvanadat, anwesend sein. Die Berechnung auf Metalloxid umfaßt lediglich das jeweilige, während der Reaktion anwesende oder gebildete Titandioxid oder Vanadium-V-oxld und ist somit unabhängig davon, ob die Metalle zu Beginn der Reaktion in einer anderen Verbindung, oder von Anfang an oder während der Reaktion gleichzeitig In von Titandioxid und Vanadlumpentoxld unterschiedlichen Verbindungen vorliegen.
Das Titandioxid kommt in Form des Rutils oder bevorzugt in Form des Anatas in Frage. Es kann in wasserfreier Form oder in Gestalt von Hydraten TiOi ■ x H2O, z. B. Orthotltansäure oder Metatltansäure, verwendet werden. Die Innere Oberfläche der Metalloxide des Katalysators beträgt vorteilhaft von 1 bis 80, vorzugsweise von 2 bis 25 Quadratmeter pro Gramm Katalysator. Man wählt zweckmäßig Korngrößen des Titandloxids von 0,1 bis 1,5, vorzugsweise von 0,2 bis 0,5 Mikron.
Die Katalysatoren können gegebenenfalls auch zusammen mit einem Trägermaterial, z. B. Bims, Siliciumcarbid, Siliciumoxide, Aluminiumoxide und vorteilhaft Steatit, zur Verwendung gelangen. Zweckmäßig sind Mengen von 1 bis 30 Qm-.-% Katalysator, bezogen auf Träger, und Schichtdicken des Katalysators von 0,02 bis 2 Millimetern auf dem Träger.
Die Form und Größe der trägerlosen Katalysatoren können In einem weiten Bereich beliebig gewählt werden, vorteilhaft verwendet man kugelförmige, tablettierte oder stückige Katalysatoren oder Strangpreßlinge von bracht werden. Auch ist es möglich, die trockenen cder feuchten Oxide mit dem Träge; y.u vermischen, gegebenenfaiis das Gemisch zu zerkleinern und dann, z. B. mit Hilfe einer Strangpresse, in entsprechende Formlinge überzuführen. Zur Herstellung von Katalysatoren mit Trägern kann man vorteilhaft auch eine Lösung von Va'-adinpentoxid in wäßriger Oxalsäure oder Salzsäure mit Titandioxid versetzen und die entsprechende Suspension auf den zweckmäßig auf 160 bis 5000C, vorzugsweise 250 bis 500° C, erhitzten Träger auftragen. Hierbei läßt sich die Benetzbarkelt des Trägermaterial häufig erhöhen, wenn die Suspension noch organische wasserlösliche Lösungsmittel, wie Alkanole, z. B. Methanol oder Äthanol, Formamid oder Dimethylformamid, zweckmäßig In einer Menge von 1 bis 3,5 Gew.-», bezogen auf Wasser, enthält.
Nach dem Trocknsn kann der Katalysator bzw. der Katalysator auf Träger noch vorteilhaft im Luftstrom calcinlert werden, z. B. bei einer Temperatur zwischen 300 und 700° C. Es wird in diesem Zusammenhat® bezüglich Herstellung von Katalysatoren auf Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Band 4/2, Selten 143 bis 240, und Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, Band 9, Seiten 254 ff., verwiesen. Ebenfalls schildern diese Werke Verfahren, die katalytisch aktive Komponente auf Inerte Träger aufzubringen, z. B. außer durch Tränken durch Sprühen oder Ausfällung, und anschließendem Calcinieren des so hergestellten Trägerkatalysators.
Die Oxidation wird In der Regel bei einer Temperatur zwischen 200 und 450° C, vorzugsweise zwischen 300 und 420° C, drucklos oder unter Druck, diskontinuierlich oder vorzugsweise kontinuierlich durchgeführt. Die Reaktionstemperatur wird als Temperatur des Salzbades fik'ratschmelze), die die Wände des Reaktorrohrs beheizt, gemessen und Im folgenden Rohrwandtemperatur genannt. M^n oxidiert z. B. den Ausgangsstoff I In der folgenden Welse: Die Ausgangsdlphenylmethanverblndung wird In einem auf mehr als 150° C erhitzten Luftstrom verdampft. Es Ist auch möglich, einen sauerstofffrelen Ttilstrom der Reaktionsabgase mit dem Dampf des Ausgangsstoffs zu sättigen und so die gewünschte Konzentration an Ausgangsstoff 1 Im Reaktlonsgernlsch einzustellen. Das Gas/Dampf-Gerrlsch wird dann In einem Reaktor bei der Reaktionstemperatur dürr'1 die Katalysatorschicht geleitet. Als Reaktoren kommen zweckmäßig mit Salzbad gekühlte Rührenreaktoren. Wirbelschlchtreaktoren mit eingebauten Kühlele-
nienten oder Sehichtenre;ikloren mit Zwischenkühlung in Fuge. Aus dem Reaktionsgemisch wird dann in üblicher Weise der Enilstoff ahgetren-1. /. B. leitet man die den Reaktor verlassenden Gase durch einen oder mehrere Abscheider Gegebenenfalls kann das Anlhrachlnon anschließend durch Waschen mit Wasser oder alkalischen Lösungen von Nebenprodukten abgetrennt werden. Der Endstoff kann auch durch Einleiten des gasförmigen ReaktlonsKeml.sch.es In Wasser oder In eine alkalische Lösung abgetrennt werden, wobei das Anlhrachlnon als unlöslicher Feststoff mit hoher Reinheit anfällt Das nach dem Verfahren der Erfindung herstellbare Anthrachinon ist ein wertvoller Ausgangsstoff für die Herstellung von Farbstoffen und Schädlingsbekämpfungsmitteln Bezüglich der Verwendung wird auf vorgenannten Veröffentlichung und l.'llmanns Enzyklopädie der technischen Chemie. Band 3. Seiten 659 ff., verwiesen.
Die im Beispiel angeführten Teile bedeuten Gewichtsteile Sie verhalten sich /u den Volumenteilen wie KlIo- ur-imm /π I il
Beispiel I
Herstellung des Katalysators
S.18 Teile Vanadylnxalat (entspricht 4 Feilen V3O.) werden in 200 Teilen Wasser gelöst. 96 Teile Titandioxid und 32 Teile formamid zugesetzt und die gebildete Suspension auf Steatitkugcln von 6 mm Durchmesser (auf 300 C erhitzt) aufgetragen. Eine beschichtete Kugel enthält 4 Teil Katalysator fVanadiumpentoxid und Titandioxid) und 96 Teile I rager Der Katalysator setzt sich aus 96 Gew.-1., Titandioxid und 4 Gew.-1 Vanadinpentoxid zusammen.
b) Oxidation
64 Teile des genial) a) hergestellten Katalysators werden in einen Röhrenreaktor (25 mm Innerer Durchmesser) eingefüllt. Nun wird ein Gemisch aus 400 000 Volumentellen Luft und 13.6 Teilen 2-Melhyl-diphenylmethan stündlich über den Katalysator geleitet. Die Rohrwandtemperatur beträgt 388" C. Pas den Reaktor verlassende, gasförmige Reaktionsgemisch wird aiii 60 C abgekühlt, wobei der Endstoff konden-
in siert. Der nicht kondensierte Anteil wird mit Wasser ausgewaschen. Die In Wasser unlöslichen An'.elle werden mit dem Kondensat vereinigt. Aus 54.4 Teilen 2-Methykliph'nvlmethan werden 49.9 Teile roher Endstoff erhalten, der 86 Gew.-\, Anlhrachlnon ent-
υ halt. Nach Behandlung mit 1000 T''ilen einer 10-gewichtspro/.entlgen Sodalösung werden 42.8 Teile Anthrachlnon vom Fp 286 C erhalten (entspricht einer Anthrachinon-Ausbeute. bezogen auf eingesetztes 2-Methykllphenylmethan. \< >n 69.2" der Theorie).
Im F. mi stoff und in den FlIt raten der Waschen können mittels rV-Absorplion und Gaschromatographie weder Flui.renon noch Xanthon nachgewiesen werden.
,. Beispiel 2
Analog Beispiel 1 wird die L;msetzung mil einem entsprechenden Katalysator, der 16 Teile V.O. und 84 Teile TiO; enthält, durchgeführt. Man erhält 37.5 Teile Λ -Hhrachlnon vom Fp 286 C (60.6 ' der Theoin rie. bezogen auf eingesetzten Ausgangsstoff I). die keine deutlichen Mengen an Fluorenon und Xanthon enthalten.

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zur Herstellung von Anthrachinon nach der Verfahrenswelse durch Oxidation von Piphenylmethanderivaten der Formel
    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Anthrachinon durch Oxidation von Diphenylmethanverbindungen in der Gasphase In Gegenwart von Vanadium-V-oxld und Titandloxid In bestimmtem Gewichtsverhältnis.
    Gegenstand des deutschen Patents 20 50 798 Ist ein Verfahren zur Herstellung von Anthrachinon durch Oxidation von Diphenylmethanderlvaten der Formel
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