CN104892631B - 含磺酸基螺恶嗪类光致变色化合物及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及有机光致变色材料，具体地说是一种含磺酸基螺恶嗪类光致变色化合物及其制备方法和应用。化合物如通式Ⅰ所示：式中：R1为SO3H、SO3Na或SO3K；R2为C1‑C18烷基、芳环或杂环取代的C1‑C6链烷基；R3为： 所述化合物应用于光致变色眼镜、滤光器、光学仪器、观察仪的光学器件、玻璃隔墙、装饰物品、显示器元件或光信息存储材料中。本发明所具有的优点：本发明化合物的合成工艺简单。所得化合物在常用溶剂如：甲苯、丙酮和四氢呋喃等中有着较好的溶解性。所涉及的化合物含有磺酸基团，更易在水性粘合剂中分散。由其制备的光致变色材料经耐光牢度测试后表现出优异的耐晒性能。

Description

含磺酸基螺恶嗪类光致变色化合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及有机光致变色材料，具体地说是一种含磺酸基螺恶嗪类光致变色化合物及其制备方法和应用。
背景技术
螺恶嗪是20世纪70年代在螺吡喃基础上发展起来的一类具有良好光致变色性能的化合物，由于它还具有高的抗疲劳性和光稳定性，因而被应用在光致变色眼睛、滤光器、光学仪器或观察仪的光学器件、玻璃隔墙、装饰物品、显示器元件和光信息存储材料等领域。
取代螺恶嗪类光致变色化合物是一类光化学性质优异的光致变色化合物。专利BE1006104曾报道含磺酸基的螺恶嗪类光致变色化合物并介绍了光致变色材料的制备及应用性能。专利BE1006104所涉及化合物通式如下。
式中：R为C1-C18烷基。
专利EP600668和EP600669介绍了不含磺酸基的螺恶嗪类光致变色化合物及其制备方法。同时BE1006104，所涉及含磺酸基的螺恶嗪类光致变色化合物及其制备方法，专利中所涉及的化合物，因应用性能优异，很多已商品化，但耐光牢度并不十分理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含磺酸基螺恶嗪类光致变色化合物及其制备方法和应用。
制备含磺酸基螺恶嗪类光致变色化合物，涉及到原料R3H和中间体 A，其中化合物R3H为商品化产品，可以从市场购买获得。
中间体A通式如下所示。
式中，R2为C1-C18烷基、C1-C6烷基链芳环或C1-C6烷基链杂环。
该类化合物可以参考文献Applied Photochromic Polymer Systems, Blackie,Ed.C.B.McArdle,1992,Chapter 2制备获得。以N-R2基苯胺为原料制备N-R2基苯肼，N-R2基苯肼与甲基异丙基酮闭环制备R2取代的3,3- 二甲基-2-亚甲基吲哚啉。反应方程式如下。
为实现上述目的本发明采用的技术方案为：
一种含磺酸基螺恶嗪类光致变色化合物，化合物如通式Ⅰ所示：
式中：
R1为SO3H、SO3Na或SO3K；R2为C1-C18烷基、芳环或杂环取代的 C1-C6链烷基；R3为：
本发明中较优选的化合物为：通式Ⅰ中
R1为SO3H、SO3Na或SO3K；R2为C1-C18烷基、芳环或杂环取代的 C1-C6链烷基，其中，芳环选自苯环、取代苯环、萘环、取代萘环或杂芳环，所述的杂芳环选自呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、嘧啶、吡嗪、吲哚、苯并呋喃、苯并噻吩、苯并吡唑、苯并咪唑、苯并三唑、喹啉或异喹啉，取代苯环和取代萘环其取代基选自1-3个如下基团：卤素、硝基、氰基、 C1-C3烷基、C1-C3烷氧基或卤代C1-C3烷基；杂环主要指脂杂环化合物，包括三元环、五元环、六元环或七元环，且含有1-2个杂原子，杂原子包括氧、硫或氮；R3为：
进一步优选的化合物为：通式Ⅰ中
R1为SO3H、SO3Na或SO3K；R2为C1-C18烷基、芳环或杂环取代的 C1-C6链烷基，其中芳环选自苯环、取代苯环或杂芳环。所述的杂芳环选自呋喃、噻吩、吡咯、吡啶、吲哚、苯并呋喃、苯并噻吩、喹啉或异喹啉，取代苯环其取代基选自1-3个如下基团：卤素、硝基、氰基、C1-C3烷基、C1-C3烷氧基或卤代C1-C3烷基，杂环主要指脂杂环化合物，包括五元环或六元环，含有1个杂原子。所述杂原子包括氧、硫或氮；R3为：
更进一步优选的化合物为：通式Ⅰ中
R1为SO3H或SO3Na；R2为C1-C18烷基、芳环或杂环取代的C1-C6链烷基。所述芳环选自苯环或取代苯环。所述的取代苯环其取代基选自 1-3个如下基团：卤素、硝基、氰基、C1-C3烷基、C1-C3烷氧基或卤代 C1-C3烷基。所述的杂环主要指脂杂环化合物，包括五元环和六元环环，含有1个杂原子。所述杂原子包括氧、硫和氮。R3为：
再进一步优选的化合物为：通式Ⅰ中
R1为SO3H；R2为C1-C18烷基、芳环或杂环取代的C1-C6链烷基。所述芳香环选自苯环或取代苯环，其中，取代苯环其取代基选自1-3个如下基团：卤素、硝基、氰基、C1-C3烷基、C1-C3烷氧基或卤代C1-C3烷基，杂环主要指脂杂环化合物，包括五元环或六元环，含有1个杂原子，杂原子包括氧、硫或氮；R3为：
一种含磺酸基螺恶嗪类光致变色化合物的制备方法：
1)在低温下，将由R2取代的3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉和30％发烟硫酸反应得到R2取代的5-磺酸基-3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉；
2)在惰性气体保护下，将1-亚硝基-2-萘酚和R3H用乙醇完全溶解，通过微波加热的方式反应得到R3取代的1-亚硝基-2-萘酚；
3)在惰性气体保护下，在溶剂的回流温度下，将R2取代的5-磺酸基-3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉与R3取代的1-亚硝基-2-萘酚反应得到R1为SO3H的磺酸基螺恶嗪类光致变色化合物；
4)将上述R1为SO3H的含磺酸基螺恶嗪类光致变色化合物用碱中和后得到R1为SO3Na或SO3K的含磺酸基螺恶嗪类光致变色化合物。
所述步骤1)的反应温度为-5～5℃，R2取代的3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉与30％发烟硫酸摩尔比为1：1.05～1.5。
所述步骤2)在惰性气体保护下，将按摩尔比为1:2～5的1-亚硝基 -2-萘酚和R3H用乙醇完全溶解，通过微波加热的方式反应得到R3取代的 1-亚硝基-2-萘酚；
所述惰性气体为氮气或氩气；微波加热的电压为20～50伏，电流为 200～260毫安，反应时间为10～40分钟。
在惰性气体保护下，按摩尔比为1～1.2:1的比例将R2取代的5-磺酸基-3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉与R3取代的1-亚硝基-2-萘酚，在溶剂的回流温度下反应得到通式Ⅰ的化合物；所述惰性气体为氮气或氩气；所述溶剂为甲醇、乙醇或1,4-二氧六环。
所述步骤4)碱为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钾、碳酸钾或碳酸氢钾。
一种含磺酸基螺恶嗪类光致变色化合物的应用，所述化合物应用于光致变色眼镜、滤光器、光学仪器、观察仪的光学器件、玻璃隔墙、装饰物品、显示器元件或光信息存储材料中。
本发明所具有的优点：本发明化合物的合成工艺简单。所得化合物在常用溶剂如：甲苯、丙酮和四氢呋喃等中有着较好的溶解性。所涉及的化合物含有磺酸基团，更易在水性粘合剂中分散。由其制备的光致变色材料经耐光牢度测试后表现出优异的耐晒性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供化合物2经紫外光照射前后的吸收波长变化图。
图2为本发明实施例提供化合物2经抗疲劳测试变色前后的紫外漫反射光谱图。
具体实施方式
以下具体实例用来进一步说明本发明，但本发明绝非限于这些例子。实施例中所用原料都可以通过市售获得。
合成实施例
实施例1化合物1的制备
反应式如下：
将3.2g(20.2mmol)1,3,3-三甲基-2-亚甲基吲哚啉溶于10ml的98％的浓硫酸中，0～5℃下，向反应液中滴加6.5g30％发烟硫酸，发烟硫酸滴加完毕，0～5℃下，保温反应5h。反应结束后，将反应料液滴加到200ml 水中稀释，大量的固体析出，过滤、水洗、干燥后得到4.96g的5-磺酸基 -1,3,3-三甲基-2-亚甲基吲哚啉，收率为97％，熔点为265℃。
在氮气保护下，向烧瓶中加入2.5g(14.4mmol)1-亚硝基-2-萘酚， 3.6g(50.5mmol)四氢吡咯，再加入无水乙醇至完全溶解，搅拌下于微波压 25伏，电流200毫安加热反应20分钟，停止反应，冷却，减压蒸馏除去过量的四氢吡咯得粗品，柱色谱分离(硅胶G，展开剂，正己烷：乙酸乙酯为1：4(v/v))得到2.8g1-亚硝基-4-四氢吡咯基-2-萘酚，收率为80％。
氮气保护下，向烧瓶中加入2.42g(10mmol)1-亚硝基-4-四氢吡咯基-2- 萘酚，2.53g(10mmol)5-磺酸基-1,3,3-三甲基-2-亚甲基吲哚啉和100ml乙醇，回流下保温2小时。反应结束后，冷却，析出结晶。过滤，得粗品。将粗品溶于乙醇中，加热到50～60℃后，加3g活性碳，充分搅拌。热过滤除去活性碳，搅拌下降温得到2.0g的化合物1，收率为41.9％。外观为黄色粉状固体，熔点为192～194℃。
化合物1的化学名为1,3,3-三甲基-5-磺酸基-6’-四氢吡咯基螺{吲哚啉-2,3-[3H]萘并[2,1-b][1,4]恶嗪}。
1H NMR(400Hz，CDCl3)δ7.55(d,1H,Ar),6.79(d,1H,Ar),7.78(s,1H,Ar), 7.50(s,1H,Ar),6.32(s,1H,Ar),7.64(d,1H,Ar),7.24(t,1H,Ar),7.32(t,1H,Ar), 7.52(d,1H,Ar),2.85(s,3H,CH3),1.39(s,3H,CH3),1.37(s,3H,CH3),2.80(t,2H, CH2),2.75(t,2H,CH2),1.60(m,2H,CH2),1.58(m,2H,CH2),1.98(br,H,OH)。实施例2化合物2的制备
反应式如下：
将6.0g(30mmol)1-异丙基-3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉溶于15ml的 98％的浓硫酸中，0～5℃下，向反应液中滴加14.4g20％发烟硫酸，发烟硫酸滴加完毕，0～5℃下，保温反应6h。反应结束后，将反应料液滴加到150ml水中稀释，大量的固体析出，过滤、水洗、干燥后得到8.26g 的5-磺酸基-1-异丙基-3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉，收率为98％。
在氮气保护下，向烧瓶中加入2.5g(14.4mmol)1-亚硝基-2-萘酚， 6.9g(57.6mmol)吲哚啉，再加入无水乙醇至完全溶解，搅拌下于微波压30 伏，电流220毫安加热反应25分钟，停止反应，冷却，减压蒸馏除去过量的吲哚啉得粗品，柱色谱分离(硅胶G，展开剂，正己烷：乙酸乙酯为 1：3(v/v))得到3.1g1-亚硝基-4-吲哚啉基-2-萘酚，收率为74％。
氮气保护下，向烧瓶中加入2.9g(10mmol)1-亚硝基-4-吲哚啉基-2-萘酚，2.8g(10mmol)5-磺酸基-1-异丙基-3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉和100ml 甲醇，回流下保温2小时。反应结束后，冷却，析出结晶。过滤，得粗品。将粗品溶于甲醇中，加热到50～60℃后，加3g活性炭，充分搅拌。热过滤除去活性炭，搅拌下降温得到2.2g的化合物2，收率为40％。外观为土黄色粉状固体，熔点为214～216℃。
化合物2的化学名为1-异丙基-3,3-二甲基-5-磺酸基-6’-吲哚啉基螺 {吲哚啉-2,3-[3H]萘并[2,1-b][1,4]恶嗪}。
1H NMR(400Hz，CDCl3)δ7.56(d,1H,Ar),6.80(d,1H,Ar),7.81(s,1H,Ar), 7.52(s,1H,Ar),6.35(s,1H,Ar),7.65(d,1H,Ar),7.23(t,1H,Ar),7.34(t,1H,Ar), 7.61(d,1H,Ar),2.97(m,H,CH),1.20(d,3H,CH3),1.18(d,3H,CH3),1.39(s,3H, CH3),1.37(s,3H,CH3),3.39(t,2H,CH2),2.78(t,2H,CH2),6.90(d,1H,Ar), 6.86(t,1H,Ar),6.53(t,1H,Ar),6.38(d,1H,Ar),2.02(br,1H,OH)。
实施例3化合物3的制备
反应式如下：
将4.3g(20mmol)1-异丁基-3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉溶于20ml的 98％的浓硫酸中，0～5℃下，向反应液中滴加6.9g30％发烟硫酸，发烟硫酸滴加完毕，0～5℃下，保温反应5h。反应结束后，将反应料液滴加到 100ml水中稀释，大量的固体析出，过滤、水洗、干燥后得到5.7g的5- 磺酸基-1-异丁基-3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉，收率为96.6％。
在氮气保护下，向烧瓶中加入2.5g(14.4mmol)1-亚硝基-2-萘酚， 5.0g(57.6mmol)吗啉，再加入无水乙醇至完全溶解，搅拌下于微波压40 伏，电流240毫安加热反应15分钟，停止反应，冷却，减压蒸馏除去过量的吗啉得粗品，柱色谱分离(硅胶G，展开剂，正己烷：乙酸乙酯1： 1(v/v))得到2.9g1-亚硝基-4-吗啉基-2-萘酚，收率为77％。
氮气保护下，向烧瓶中加入2.58g(10mmol)1-亚硝基-4-吲哚啉基-2- 萘酚，2.95g(10mmol)5-磺酸基-1-异丙基-3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉和 100ml乙醇，回流下保温3小时。反应结束后，冷却，析出结晶。过滤，得粗品。将粗品溶于乙醇中，加热到50～60℃后，加3g活性炭，充分搅拌。热过滤除去活性炭，搅拌下降温得到2.1g的化合物3，收率为39％。外观为白色粉状固体，熔点为206～208℃。
化合物3的化学名为1-异丁基-3,3-二甲基-5-磺酸基-6’-吗啉基螺{吲哚啉-2,3-[3H]萘并[2,1-b][1,4]恶嗪}。
1H NMR(400Hz，CDCl3)δ7.58(d,1H,Ar),6.79(d,1H,Ar),7.80(s,1H,Ar), 7.57(s,1H,Ar),6.33(s,1H,Ar),7.64(d,1H,Ar),7.21(t,1H,Ar),7.32(t,1H,Ar), 7.59(d,1H,Ar),3.31(d,2H,CH2),2.07(m,H,CH),1.05(d,3H,CH3), 1.03(d,3H,CH3),1.45(s,3H,CH3),1.43(s,3H,CH3),3.01(t,2H,CH2), 2.98(t,2H,CH2),3.70(t,2H,CH2),3.68(t,2H,CH2),2.04(br,1H,OH)。
实施例4化合物4的制备
反应式如下：
将5.5g(20mmol)1-(2-苯基丙基)-3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉溶于 25ml的98％的浓硫酸中，0～5℃下，向反应液中滴加4.4g40％发烟硫酸，发烟硫酸滴加完毕，0～5℃下，保温反应4h。反应结束后，将反应料液滴加到100ml水中稀释，大量的固体析出，过滤、水洗、干燥后得到7.0g 的5-磺酸基-1-(2-苯基丙基)-3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉，收率为98.0％。
在氮气保护下，向烧瓶中加入2.5g(14.4mmol)1-亚硝基-2-萘酚， 4.0g(28.8mmol)十氢喹啉，再加入无水乙醇至完全溶解，搅拌下于微波压 30伏，电流240毫安加热反应20分钟，停止反应，冷却，浓缩得粗品，柱色谱分离(硅胶G，展开剂，正己烷：乙酸乙酯为1：2(v/v))得到3.2g1- 亚硝基-4-十氢喹啉基-2-萘酚，收率为71％。
氮气保护下，向烧瓶中加入3.1g(10mmol)1-亚硝基-4-十氢喹啉基-2- 萘酚，3.57g(10mmol)5-磺酸基-1-(2-苯基丙基)-3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉和100ml1,4-二氧六环，回流下保温3小时。反应结束后，冷却，冷却，蒸馏除去1,4-二氧六环得粗品，柱色谱分离(硅胶G，展开剂，乙醚：石油醚1：5)得到3.26g的化合物4，收率为50.3％。外观为淡黄色粉状固体，熔点为222～224℃。
化合物4的化学名为1-(2-苯基丙基)-3,3-二甲基-5-磺酸基-6’-十氢喹啉基螺{吲哚啉-2,3-[3H]萘并[2,1-b][1,4]恶嗪}。
H NMR(400Hz，CDCl3)δ7.56(d,1H,Ar),6.78(d,1H,Ar),7.79(s,1H,Ar), 7.52(s,1H,Ar),6.34(s,1H,Ar),7.63(d,1H,Ar),7.22(t,1H,Ar),7.35(t,1H,Ar), 7.60(d,1H,Ar),3.77(d,2H,CH2),3.18(m,H,CH),1.34(d,3H,CH3), 7.15(d,1H,Ar),7.13(d,1H,Ar),7.20(t,1H,Ar),7.18(t,1H,Ar),7.08(t,1H,Ar), 1.42(s,3H,CH3),1.40(s,3H,CH3),2.80(t,2H,CH2),1.55(m,2H,CH2), 1.59(m,2H,CH2),1.66(m,1H,CH),1.52(m,2H,CH2),1.49(m,2H,CH2), 1.39(m,2H,CH2),1.50(m,2H,CH2),2.56(m,2H,CH2),2.06(br,1H,OH)。
性能测试
对上述实施例制备的化合物进行紫外测试：如将化合物2溶解到甲苯中，并测试经紫外光(波长254nm，365nm)照射前后的吸收波长变化的情况，由图1所示，发现经紫外灯照射1分钟后，化合物在600nm下有吸收。
抗疲劳测试：如将化合物2按现有常规方式按2％(w/w)比例制备 PMMA膜，将获得的膜用紫外光(波长254nm，365nm)照射完全变为蓝色后，再在120℃下加热变成无色，分别测试该化合物变色前后的紫外漫反射光谱，反复进行了10次，由下图2可见化合物2具有良好的抗疲劳性。性能实施例1
将上述实施例制备获得化合物1-4，分别按照2％(w/w)的比例与水性聚氨酯Dispercoll U54(购自拜尔材料科技有限公司)混合制备光致变色制品1-4。商品化染料A-D(结构如下所示)主要是专利EP600668 和EP600669所涉及的化合物。将商品化染料A-D以及专利BE1006104 所涉及的化合物E按照上述相同的配方，制备获得对比例1-5。
按照ISO105-B02方法，将光致变色制品1-4及对比例1-5分别在氙灯下连续照射12小时。分别用测色仪测试氙灯照射前后的8个光致变色制品在紫外光(波长254nm，365nm)激发下的L、A、B(照射前)及L’、 A’、B’(照射后)值，并计算色差值⊿E。色差值⊿E表示颜色的差别大小，计算公式为⊿E＝[(L－L’)2+(A－A’)2+(B－B’)2]1/2。
表1光致变色制品在氙灯照射12小时前后色差值及性能
由表1可知，由本发明合成的化合物制备的光致变色制品1-4以及由商品染料和化合物E制备的对比例1-5在经氙灯长时间照射后，都仍然具有明显的光致变色性。但是由本发明合成的化合物制备的光致变色制品色差值⊿E较小，分别为3.81、3.35、3.57和3.69。明显小于对比例1-5 测试前后的色差值⊿E，分别为17.27、22.59、16.46、15.63、16.23。说明耐光牢度明显优于商品化品种和专利BE1006104所涉及的化合物。
性能实施例2
将上述实施例制备获得化合物1-4、商品化产品A-D以及专利 BE1006104所涉及的化合物E按照相同的配方(分别按照1％(w/w)的比例与聚甲基丙烯酸甲酯)制备光致变色制品。耐晒牢度测试方法与性能实施例1一致，结果参见表2。
表2光致变色制品在氙灯照射12小时前后色差值及性能
由表2可知，光致变色制品5-8以及商品染料和化合物E制备的对比例5-9在经氙灯长时间照射后，都仍然具有明显的光致变色性。而由由本发明合成的化合物制备的光致变色制品色差值⊿E较小，分别为2.35、 1.74、3.29和2.48，明显小于对比例5-9测试前后的色差值⊿E，分别为 21.87、17.52、10.58、10.73、10.31。说明耐光牢度明显优于商品化品种和专利BE1006104所涉及的化合物。

Claims (7)

1.一种含磺酸基螺噁嗪类光致变色化合物，其特征在于：化合物如通式Ⅰ所示：
式中：
R1为SO3H或SO3Na；R2为甲基、异丙基、异丁基或苯环取代的C1-C6烷基；R3为：
2.按权利要求1所述的含磺酸基螺噁嗪类光致变色化合物，其特征在于：所述化合物通式Ⅰ中，R1为SO3H；R2为甲基、异丙基、异丁基或苯环取代的C1-C6烷基；R3为：
3.一种权利要求1所述的含磺酸基螺噁嗪类光致变色化合物的制备方法，其特征在于：
1)在低温下，将由R2取代的3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉和30％发烟硫酸反应得到R2取代的5-磺酸基-3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉；
2)在惰性气体保护下，将1-亚硝基-2-萘酚和R3H用乙醇完全溶解，通过微波加热的方式反应得到R3取代的1-亚硝基-2-萘酚；
3)在惰性气体保护下，在溶剂的回流温度下，将R2取代的5-磺酸基-3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉与R3取代的1-亚硝基-2-萘酚反应得到R1为SO3H的磺酸基螺噁嗪类光致变色化合物；
4)将上述R1为SO3H的含磺酸基螺噁嗪类光致变色化合物用碱中和后得到R1为SO3Na含磺酸基螺噁嗪类光致变色化合物。
4.按权利要求3所述的含磺酸基螺噁嗪类光致变色化合物的制备方法，其特征在于：所述步骤1)的反应温度为-5～5℃，R2取代的3,3-二甲基-2-亚甲基吲哚啉与30％发烟硫酸摩尔比为1：1.05～1.5。
5.按权利要求3所述的含磺酸基螺噁嗪类光致变色化合物的制备方法，其特征在于：所述步骤2)在惰性气体保护下，将按摩尔比为1:2～5的1-亚硝基-2-萘酚和R3H用乙醇完全溶解，通过微波加热的方式反应得到R3取代的1-亚硝基-2-萘酚；
所述惰性气体为氮气或氩气；微波加热的电压为20～50伏，电流为200～260毫安，反应时间为10～40分钟。
6.按权利要求3所述的含磺酸基螺噁嗪类光致变色化合物的制备方法，其特征在于：所述步骤4)碱为氢氧化钠、碳酸钠或碳酸氢钠。
7.一种权利要求1所述的含磺酸基螺噁嗪类光致变色化合物的应用，其特征在于：所述化合物应用于光致变色眼镜、滤光器、光学仪器、观察仪的光学器件、玻璃隔墙、装饰物品、显示器元件或光信息存储材料中。
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