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Verfahren zur Herstellung von Mandelsäureestern
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein einstufiges Verfahren zur Herstellung
von Mandelsäureestern, ausgehend von Mandelsäurenitrilen (Benzaldehyd-cyanhydrinen),
wobei gleichzeitig der Nitrilstickstoff in Form von festem Ammoniumchlorid gewonnen
wird. Mandelsäureester können als Zwischenprodukte, z.B. zur Herstellung von herbiziden
Wirkstoffe, verwendet werden.
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Die aus der Literatur bekannten Synthesen von Mandelsäureestern aus
den Nitrilen werden in der Regel zweistufig über die Iminoäther-hydrochloride durchgeführt
und liefern Ausbeuten von ca. 73 % (vgl. Chem. Abstr. Vol.
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70, 11 290r (1969); vgl. ferner Houben-Weyl, Methoden der organischen
Chemie, 4. Auflage, Band VIII, S. 539).
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In der Literatur ist auch bereits eine einstufige Umsetzung von Mandelsäurenitril
zu Mandelsäureäthylester beschrieben worden; hierbei wurde jedoch nur eine Ausbeute
von ca. 50 % erzielt (J. prakt. Chem. (2) Bd.150, s. 90 (1938)).
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Ein besonderer Nachteil dieser vorbekannten Verfahren besteht ferner
darin, daß der in der Nitrilgruppe vorhandene Stickstoff nicht verwertet wird, sondern
bei der Aufarbeitung verloren geht bzw. nur mit außerordentlichem Aufwand in Form
von Ammonsalzen isoliert werden kann.
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Es wurde nun gefunden, daß man Mandelsäureester der Formel
in welcher R für Alkyl steht, X für Alkyl, Aryl, Hydroxy, Alkoxy, Halogen, Halogenalkyl
und/oder Nitro steht und n für eine ganze Zahl von 0 bis 3 steht, durch Umsetzung
von Mandelsäurenitrilen (Benzaldehydcyanhydrinen), Alkoholen und Chlorwasserstoff
in sehr hoher Ausbeute und mit sehr guter Reinheit erhält und gleichzeitig den Nitrilstickstoff
in Form von festem Ammoniumchlorid gewinnt, wenn man Mandelsäurenitrile der Formel
in welcher X und n die oben angegebene Bedeutung haben, pro Mol mit 3 bis 20 Mol
eines Alkohols der Formel R-OH (III)
in welcher R die oben angegebene
Bedeutung hat, und entweder mit 1,8 bis 3 Mol Chlorwasserstoff oder unter Zusatz
von bis zu 1 Mol Wasser mit 1,2 bis 2,4 Mol Chlorwasserstoff bei Temperaturen zwischen
40 und 16O0C umsetzt und nach einer Reaktionszeit von ca. 3 bis 10 Stunden überschüssigen
Chlorwasserstoff mit gasförmigem Ammoniak neutralisiert, einen aromatischen, gegebenenfalls
chlorierten Kohlenwasserstoff zusetzt und zur Aufarbeitung den überschüssigen Alkohol
abdestilliert, nach Abkühlen das ausgeschiedene kristalline Ammoniumchlorid abfiltriert
und den Mandelsäureester aus dem organischen Filtrat durch Destillation isoliert.
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Es ist im Hinblick auf den Stand der Technik als ausgesprochen überraschend
zu bezeichnen, daß es unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt,
Mandelsäurenitrile auf technisch einfache Weise mit hoher Ausbeute in sehr reine
flandelsäureester zu über führen, wobei sich gleichzeitig festes Ammoniumchlorid
gewinnen läßt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf.
Insbesondere liefert das neue, einstufige Verfahren Ausbeuten an Mandelsäureestern
(über 90 % der Theorie), die weit über die nach vergleichbaren bekannten Verfahren
erzielbaren Ausbeuten (50 bis 70 %) hinausgehen. Das neue Verfahren zeichnet sich
gegenüber den vorbekannten Herstellungsmethoden wesentlich dadurch aus, daß ein
Überschuß an Chlorwasserstoff pro ol Mandelsäurenitril (II) bei erhöhter Temperatur
in Gegenwart überschüssigen Alkohols (III) eingesetzt wird. Durch diese
Maßnahmen
lassen sich die sonst eintretenden, ausbeutevermindernden Nebenreaktionen weitgehend
unterdrücken. Der Anteil an Nebenprodukten ist infolgedessen minimal, und die durch
Vakuumdestillation isolierten Mandelsäureester können ohne weitere Reinigung unmittelbar
für anschließende Umsetzunqen einqesetzt werden. Ein zusätzlicher Vorteil des neuen
Verfahrens besteht darin, daß es auf technisch einfache Weise gelingt, den Stickstoff
der Nitrilgruppe direkt in Form von festem, kristallinen Ammoniumchlorid zu gewinnen.
Demgegenüber enstand bei den bisher bekannten Verfahren dieser Art stets eine wäßrige
Salzlösung, aus der das Ammoniumchlorid nur durch technisch aufwendige und energieverbrauchende
Operationen gewonnen werden konnte; da man hierauf meist verzichten muß, geht das
Ammoniumchlorid bisher praktisch immer verloren Darüberhinaus läßt sich der Einsatzüberschuß
an Alkohol und Chlorwasserstoff zur Bildung von Alkylchloriden ausnutzen, welche
aufgrund ihrer relativ niederen Siedepunkte leicht aus dem Reaktionsgemisch zu isolieren
sind.
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Verwendet man Mandelsäurenitril (Benzaldehyd-cyanhydrin), Äthylalkohol
und Chlorwasserstoff als Ausgangsstoffe, so kann der Reaktionsablauf im wesentlichen
durch das folgende (stöchiometrische) Formelschema wiedergegeben werden, wobei der
erfindungsgemäß notwendige Einsatzüberschuß an Äthylalkohol und Chlorwasserstoff
allerdings nicht berücksichtigt ist:
| + 2 C2H5° ~ |
| + CH-CN 2 HCl H-C HCl |
| OCH CN + 2 C2H5OH oNH OC2H5 |
| OH - C2H5Cl |
| (nicht isoliert) |
| (-H20) |
| +H2O O H-COOC2H5 + NH4Cl |
| Ar-H OH |
| (fest, kristallin) |
"Ar-H" bezeichnet einen aromatischen, gegebenenfalls chlorierten Kohlenwasserstoff.
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Die als Ausgangsstoffe zu verwendenden Mandelsäurenitrile (Benzaldehyd-cyanhydrine)
sind durch die Formel (II) allgemein definiert. In dieser Formel steht der Index
n vorzugsweise für 0 und 1. Der Rest X steht vorzugsweise für Alkyl mit 1 bis 4
C-Atomen, Phenyl, Hydroxy, Alkoxy mit 1 bis 2 C-Atomen, Chlor, Halogenmethyl, insbesondere
Trifluormethyl sowie für die Nitrogruppe. Als Beispiele seien genannt: Benzaldehyd-cyanhydrin,
4-Methylbenzaldehyd-cyanhydrin, 3-Xthylbenzaldehyd-cyanhydrin, 4-tert.-Butylbenzaldehydcyanhydrin,
4-Phenylbenzaldehyd-cyanhydrin, 3-Hydroxy- und 4-Hydroxybenzaldehyd-cyanhydrin,
Anisaldehydcyanhydrin, 3-Chlorbenzaldehyd-cyanhydrin, 4-Trifluormethylbenzaldehyd-cyanhydrin,
3-Nitro- und 4-Nitrobenzaldehyd-cyanhydrin.
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Die erfindungsgemäß zu verwendenden Mandelsäurenitrile (II) sind großenteils
bekannt und können in bekannter Weise durch Umsetzung der entsprechenden Benzaldehyde
mit Blausäure hergestellt werden (vgl. z.B. Houben-Weyl, Methoden der Organ. Chemie,
4. Auflage, Band VIII, S. 274 ff.)
Die weiterhin aus Ausgangs stoffe
zu verwendenden Alkohole sind durch die Formel (III) allgemein definiert. Hier steht
R vorzugsweise für Alkyl mit 1 bis 6 C-Atomen. Als Beispiele seien genannt: Methanol,
Äthanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Butanol, Isobutanol, n-Hexanol.
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Die jeweils im Überschuß eingesetzten Alkohole (III) dienen zugleich
als Verdünnungsmittel.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Temperaturbereich von 40 bis
1600C, vorzugsweise von 45 bis 100°C durchgeführt. Bei Herstellung der Methyl- und
Äthylester wählt man als Reaktionstemperatur am zweckmäßigsten die Siedetemperatur
des Methyl- bzw. Äthylalkohols.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens setzt man auf
1 Mol Mandelsäurenitril der Formel (II) einen Überschuß von 3 bis 20 Mol, vorzugsweise
von 5 bis 16 Mol, Alkohol (III) ein. Arbeitet man ohne Zusatz von Wasser, so setzt
man auf 1 Mol Mandelsäurenitril (11) ferner 1,8 bis 3 Mol, vorzugsweise 2,1 bis
2,5 Mol, Chlorwasserstoff ein.
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Arbeitet man unter Zusatz von Wasser, so setzt man auf 1 Mol Mandelsäurenitril
(II) bis zu 1 Mol, vorzugsweise 0,4 bis 0,8 Mol Wasser und 1,2 bis 2,4 Mol, vorzugsweise
1,3 bis 2,2 Mol Chlorwasserstoff ein. (Dieser Wasserzusatz bewirkt, daß ein Teil
des zur Esterbildung erforderlichen Wassers nicht durch die Reaktion zwischen Alkohol
und Chlorwasserstoff gebildet werden muß; man kann deshalb den Überschuß an Chlorwasserstoff
verringern, gewinnt dann allerdings auch entsprechend weniger alkylchlorid3 Die
Reaktionszeiten betragen im allgemeinen etwa 3 bis 10 Stunden.
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Nach beendeter Reaktion wird noch freier überschüssiger Chlorwasserstoff
mit gasförmigen Ammoniak neutralisiert, zweckmäßigerweise bis zu einem pH-Wert zwischen
3 und 4, vorzugsweise zwischen 3,3 und 3,9 Dann wird dem Reaktionsgemisch ein aromatischer
gegebenenfalls chlorierter Kohlenwasserstoff zugesetzt, um das gebildete Ammoniumchlorid
vollständig in fester Form abzuscheiden. Der Kohlenwasserstoff bzw. Chlorkohlenwasserstoff
kann als Flüssigkeit oder vorteilhafter als Dampf zugefügt werden, so daß gleichzeitig
ein Teil der zur Verdampfung des überschüssigen Alkohols notwendigen Wärmemenge
zugeführt wird.
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Auf 1 Gewichtsteil Mandelsäurenitril werden im allgemeinen 1 bis 20
Gewichtsteile, vorzugsweise 2 bis 15 Gewichtsteile, des aromatischen Kohlenwasserstoffes
bzw. Chlorkohlenwasserstoffes eingesetzt.
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Als aromatische Kohlenwasserstoffe bzw. Chlorkohlenwasserstoffe sind
solche Verbindungen geeignet, deren Siedepunkte höher als der des verwendeten Alkohols
liegen, wie z.B. Benzol, Toluol, Cumol, Xylol, Chlorbenzol, Dichlorbenzol, Chlortoluol.
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Gleichzeitig oder anschließend an die Zugabe des aromatischen Kohlenwasserstoffs
bzw. Chlorkohlenwasserstoffs zur Reaktionsmischung führt man dem System Wärme zu,
um den Alkohol abzudestillieren. Dieser Vorgang kann bei erhöhtem Druck, Normaldruck
oder Unterdruck durchgeführt werden.
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Das gesamte Verfahren kann in dskontinuierlichen Ansätzen oder in
kontinuierlicher Fahrweise durchgeführt werden. Bei einer kontinuierlichen Reaktionsführung
ist es besonders
empfehlenswert, das Reaktionsgemisch in eine Destillationskolonne
einzuspeisen und entgegen diesem Produktstrom den Dampf des aromatischen Kohlenwasserstoffs
strömen zu lassen.
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Die Abtrennung des Alkohols aus dem Reaktionsgemisch soll soweit erfolgen,
daß der Gehalt an dieser Verbindung in der Mischung unter 0,3 % beträgt.
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Bei der Durchführung dieses Prozesses entsteht das Ammoniumchlorid
in kristalliner fester Form. Die Größe dieser Kristalle hängt weitgehend von der
Geschwindigkeit ab, mit welcher der Alkohol aus dem Reaktionsgemisch entfernt wird.
Je schneller dies verläuft, um so kleiner sind die entstehenden Ammoniumchloridkristalle.
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Es ist daher vorteilhaft, die Hauptmenge des Alkohols während eines
Zeitraumes von etwa 0,5-5 Stunden durch Destillation abzutrennen. Die Beseitigung
der Restmengen kann dann schnell erfolgen, ohne daß die mittlere Korngröße entscheidend
verkleinert wird.
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Das feste Ammoniumchlorid kann durch Filtration oder Zentrifugieren
einfach von der Lösung des Mandelsäureesters abgetrennt werden. Es wird mit dem
aromatischen Kohlenwasserstoff bzw. Chlorkohlenwasserstoff gewaschen und anschließend
getrocknet. Die Waschflüssigkeit wird in den Prozess zurückgeführt.
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Die gebildeten Mandelsäureester werden aus dem Filtrat in üblicher
Weise durch Destillation isoliert.
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Die erfindungsgemäß herstellbaren Mandelsäureester der Formel (I)
sind großenteils bekannt; sie können z.B. als Zwischenprodukte zur Herstellung von
Pharmazeutika und Schädlingsbekämpfungsmitteln, insbesondere von Herbiziden, verwendet
werden. Beispielsweise erhält man aus dem-
Mandelsäuremethylester
(1) nach folgendem Reaktionsschema die herbizid wirksame Verbindung 4-Amino-3-methyl-6-phenyl-1,2,4-triazin-5(4H)-on
(vgl. DE-OS 2 224 161): 1. Stufe
2. Stufe
wird nicht isoliert
3. Stufe
1. Stufe 0,7 Mol Mandelsäuremethylester (1) werden in 200 g Eisessig gelöst. Diese
Lösung wird zu einer Mischung aus 700 g Eisessig und 0,9 Mol Chromtrioxid (CrO3)
0 innerhalb von 30 Minuten bei 50 C zugetropft. Nach 2-stündiger Rührzeit bei dieser
Temperatur wird die Essigsäure weitgehend im Vakuum bei 20 mbar abdestilliert.
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Der Destillationsrückstand wird mit 1126 g Wasser vermischt. Die organische
Phase wird abgetrennt, und die wäßrige Phase wird 3mal mit je 100 g Methylisobutylketon
extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden im Vakuum fraktioniert. Der
Hauptlauf (102,5 g) siedet bei 16 mbar zwischen 120 und 1260C. Die Ausbeute an Phenylglyoxylsäuremethylester
(A) beträgt 89,5 % d.Th.
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2. Stufe 1 Mol Phenylglyoxylsäuremethylester (A) und 1 Mol Acetylhydrazin
werden in 780 g Isopronol 5 Stunden unter Rückfluß erhitzt. Als Katalysator wird
etwas p-Toluolsulfonsäure zugesetzt. Das Hydrazon (B) fällt als Isomerengemisch
an, wobei ein Isomeres kristallisiert. Deshalb wird
weitergearbeitet
ohne das Hydrazon zu isolieren. Zu dieser Reaktionslösung wird, nachdem der Ester
verbraucht ist, Hydrazinhydrat gegeben und unter Rühren 0 5 Stunden bei 20 C gehalten.
Danach wird das Reaktionsgemisch auf 0 bis 50C abgekühlt und abgesaugt. Die Ausbeute
an reinem Hydrazid (C) beträgt 85 %.
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3. Stufe 1 Mol Hydrazid (C) wird mit 1000 g Isopropanol versetzt und
24 Stunden bei 1000C im geschlossenen Kessel (1-2 bar ueberdruck) gerührt. Anschließend
wird bei 0 -5°C abgesaugt. In 84 %iger Ausbeute erhält man das 4-Amino-3-methyl-6-phenyl-1
,2,4-triazin-5(4H)-on (D) vom Schmelzpunkt 167-1690C.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die nachfolgenden Herstellungsbeispiele
veranschaulicht.
Herstellungsbeispiele g P Beispiel
In einem 3-Halskolben mit Rührer, Rückflußkühler und Tropftrichter wurden 6 Mol
Methanol vorgelegt und auf 500C erwärmt. Dann wurde möglichst schnell 1 Mol Benzaldehyd-cyanhydrin
und eine Lösung von 2,5 Mol Chlorwasserstoff in 4 Mol Methanol zugetropft.
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Die Reaktionsmischung wurde anschließend 6,5 Stunden bei 65 0C unter
Rückfluß erhitzt. Während dieser Zeit entwichen durch den Kühler 0,95 Mol Methylchlorid
(CH3Cl), die in einer Kühlfalle kondensiert werden können.
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Anschließend wurde das Reaktionsgemisch mit gasförmigem NH3 auf einen
pH-Wert von 3,5 eingestellt und mit 700 g Toluol versetzt. Dann wurde bei Normaldruck
ein Gemisch von Methanol und Toluol abdestilliert. Nachdem im Laufe von 3 Stunden
500 g Destillat angefallen waren, wurden dem Ansatz nochmals 500 g Toluol zugemischt.
Anschließend wurde noch so lange destilliert, bis eine GC-Analyse des Kolbeninhaltes
einen Gehalt von 0,1 % Methanol ergab.
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Das Reaktionsgemisch wurde schließlich abgekühlt und filtriert. Der
Filterrückstand wurde mit 100 g Toluol gewaschen und dann getrocknet; er bestand
aus 72 g festem Ammoniumchlorid
Das Filtrat und die zum Waschen
des Ammoniunchlorids benutzte Toluolmenge wurden vereinigt und durch Destillation
aufgearbeitet.
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Man erhilet 154 g Mandelsäuremethylester (Ausbeute 93,6 % der Theorie);
Siedepunkt 123,5 - 1240C bei 13.4 mbar.
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Beispiel 2 Unter den Bedingungen des Beispiels 1 wurden 5 Mol Benzaldehyd-cyanhydrin,
55 Mol Methanol und 11 Mol Chlorwasserstoff umgesetzt. Während der Reaktion entwichen
4,8 Mol Methylchlorid. Der Reaktionsansatz wurde nach Neutralisation mit gasförmigem
NH3 (pH = 3,85 ) mit 2 kg Chlorbenzol versetzt. Im Laufe von 5 Stunden wurde bei
Normaldruck das Methanol abdestilliert, bis die Temperatur der destillierenden Dämpfe
die Siedetemperatur des Chlorbenzols erreicht hatten.
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Die Reaktionsmischung wurde abgekühlt und filtriert. Der Rückstand
wurde mit 500 g Chlorbenzol gewaschen und anschließend getrockent. Es wurden 307
g festes Ammoniumchlorid gewonnen, dessen mittlere Korngröße 0,15 mm betrug.
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Das Filtrat und die zum Waschen des Ammoniumchlorids benutzte Chlorbenzolmenge
wurden vereinigt und durch Destillation aufgearbeitet.
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Man erhielt 786 g Mandelsäuremethylester ausbeute 95 % der Theorie);
Siedepunkt 123,5 - 1240C bei 13,4 mbar.
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Beispiel 3 In ein Gemisch aus 1 Mol Benzaldehyd-cyanhydrin, 0,5 Mol
Wasser und 16 Mol Methanol wurdënoim Laufe von 45 Minuten bei ca. 500C 1,3 Mol HCl-Gas
eingeleitet. Das Reaktionsgemisch wurde anschließend noch -9 Stunden unter Rückfluß
gekocht. Dabei entwichen durch den Kühler 0,21 Mol Methylchlorid, die in einer Kühlfalle
kondensiert wurden.
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Das Reaktionsgemisch wurde anschließend durch Einleiten von gasförmigem
NH3 neutralisiert (pH = 3,6) und mit 6,6 Mol Chlorbenzol versetzt. Dann wurde destilliert,
bis der Reaktionssumpf kein Methanol mehr enthielt. Man kühlteauf Raumtemperatur
ab und filtrierte das ausgeschiedene Ammoniumchlorid ab und wusch es mit Chlorbenzol.
Nach dem Trocknen erhielt man 61 g festes Ammoniumchlorid.
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Im methanolischen Destillat waren analytisch noch 0,07 Mol Methylchlorid
nachzuweisen. Das Filtrat und die zum Waschen des Ammoniumchlorids verwendete Chlorbenzolmenge
wurden vereinigt und wiederum destillativ aufgearbeitet.
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Man erhielt 150 g Mandelsäuremethylester (1) (Ausbeute 91 % der Theorie);
Siedepunkt 123,5 bis 1240C bei 13,4 mbar.