CN109705169B - 双茂基稀土金属配合物在催化胺硼烷脱氢偶联中的应用 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及有机合成领域,尤其涉及双茂基稀土金属配合物在催化胺硼烷脱氢偶联中的应用。
背景技术
胺硼烷类化合物作为储氢材料近年来得到了广泛的关注,主要由于其具有以下优点:1.其具有较高的含氢量,以最简单的胺硼烷(NH3.BH3)为例,其氢含量高达19.5wt%。2.其性质较为稳定,一般以固体状态存在,便于运输且能降低爆炸的危险性。另一方面,胺硼烷的脱氢偶联反应提供了一种直接而清洁的合成硼氮键的方式,而此类化合物的合成以往需要通过多步且原子经济性不高的方式实现。
胺硼烷可以在加热的条件下释放出氢气同时形成含硼氮键的化合物,但是往往需要加热到较高的温度且难以控制氢气的释放速率。金属催化剂催化的该类化合物的脱氢偶联反应可以在温和的条件下进行,同时可以通过对催化剂的修饰控制氢气释放的速率。到目前为止,已有大量主族、过渡金属催化剂用于该类反应的报道,而其中高活性催化剂[TOF(转化频率)>1000h-1]数量相对较少,且主要是一些基于贵金属铑或铱等的络合物。
迄今为止仅有数例稀土金属配合物催化该类反应的报道,其中大部分活性很低且需要加热条件,而仅有一例硼杂苯钇的烷基化合物可以在加热到50oC的条件下达到1000h-1的TOF值。而具有较强路易斯酸性的稀土金属钪在该类反应中仅表现出极低的活性(TOF<1000h-1)即使加热到到较高温度。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的目的是提供一种双茂基稀土金属配合物在催化胺硼烷脱氢偶联中的应用,本发明公开了双茂基稀土金属配合物在催化胺硼烷类化合物脱氢偶联反应或胺和硼烷的分子间脱氢偶联反应中的应用,其能够在温和的条件下高活性的催化胺硼烷类化合物的脱氢偶联反应或胺和硼烷的分子间脱氢偶联反应,其室温下的TOF值高达6000h-1。
本发明的第一个目的是公开双茂基稀土金属配合物在催化胺硼烷类化合物脱氢偶联反应或胺和硼烷分子间的脱氢偶联反应中的应用,反应温度为10-50℃,其中,所述双茂基稀土金属配合物的结构式如下:
RE为钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)或镥(Lu);
R1为氢、C1-C12烷基或[三(C1-C10烷基)]硅基取代的C1-C12烷基;
R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11独立地选自氢、C1-C4烷基或含3-6个碳原子的环烷基。
优选地,双茂基稀土金属配合物中,R1为CH(SiMe3)2或CH2SiMe3;R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11为C1-C4烷基;更优选地,R1为CH(SiMe3)2或CH2SiMe3;R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11为甲基。
优选地,RE为Sc、Y或Lu。
进一步地,胺硼烷类化合物为式(1)所示的胺硼烷或式(2)所示的双胺基硼烷,其中,式(1)和式(2)分别如下:
R12、R13、R16和R17独立地选自氢、C1-C12烷基或C6-C24芳基;优选地,R12、R13、R16和R17独立地选自氢、C1-C4烷基或C6-C12芳基;
R14、R15和R18独立地选自氢、C1-C12烷基、C1-C12烷氧基或C6-C24芳基;优选地,R14、R15和R18独立地选自氢、C1-C4烷基或C6-C12芳基;
n为1-4中的任一整数。
进一步地,胺为NH3、一级胺或二级胺。优选地,胺为正丁胺或NHMe2。
进一步地,硼烷为BH3、一级硼烷或二级硼烷。优选地,硼烷为频哪醇硼烷或BH3。
进一步地,双茂基稀土金属配合物的用量为胺硼烷类化合物或胺的摩尔数的0.2-10%。优选地,双茂基稀土金属配合物的用量为胺硼烷类化合物或胺的摩尔数的0.5-10%。
本发明的第二个目的是提供一种胺硼烷类化合物的脱氢偶联产物的制备方法,包括以下步骤:
将胺硼烷类化合物在双茂基稀土金属配合物的催化作用下,在有机溶剂中于10-50℃下反应,得到所述胺硼烷类化合物的脱氢偶联产物,其中,所述双茂基稀土金属配合物的结构式如下:
RE为钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱或镥;
R1为氢、C1-C12烷基或[三(C1-C10烷基)]硅基取代的C1-C12烷基;
R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11独立地选自氢、C1-C4烷基或含3-6个碳原子的环烷基;
所述胺硼烷类化合物为式(1)所示的胺硼烷或式(2)所示的双胺基硼烷,其中,式(1)和式(2)分别如下:
R12、R13、R16和R17独立地选自氢、C1-C12烷基或C6-C24芳基;优选地,R12、R13、R16和R17独立地选自氢、C1-C4烷基或C6-C12芳基;
R14、R15和R18独立地选自氢、C1-C12烷基、C1-C12烷氧基或C6-C24芳基;优选地,R14、R15和R18独立地选自氢、C1-C4烷基或C6-C12芳基;
n为1-4中的任一整数;
当反应物为式(1)的胺硼烷时,反应路线如下:
当反应物为式(2)的双胺基硼烷时,反应路线如下:
产物中各基团含义同原料中的相同。
进一步地,双茂基稀土金属配合物的用量为胺硼烷类化合物的摩尔数的0.2-10%。
优选地,双茂基稀土金属配合物中,R1为CH(SiMe3)2或CH2SiMe3;R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11为C1-C4烷基;更优选地,R1为CH(SiMe3)2或CH2SiMe3;R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11为甲基。
优选地,RE为Sc、Y或Lu。
本发明的第三个目的是提供一种胺和硼烷的分子间脱氢偶联产物的制备方法,包括以下步骤:
将胺和硼烷在双茂基稀土金属配合物的催化作用下,在有机溶剂中于10-50℃下反应,得到所述胺和硼烷的脱氢偶联产物,其中,所述双茂基稀土金属配合物的结构式如下:
RE为钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱或镥;
R1为氢、C1-C12烷基或[三(C1-C10烷基)]硅基取代的C1-C12烷基;
R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11独立地选自氢、C1-C4烷基或含3-6个碳原子的环烷基。
进一步地,胺为NH3、一级胺或二级胺。优选地,胺为正丁胺或NHMe2。
进一步地,硼烷为BH3、一级硼烷或二级硼烷。优选地,硼烷为频哪醇硼烷或BH3。
优选地,双茂基稀土金属配合物中,R1为CH(SiMe3)2;R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11为C1-C4烷基;更优选地,R1为CH(SiMe3)2;R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11为甲基。
优选地,RE为Sc、Y或Lu。
进一步地,胺和硼烷的摩尔比为1:1。
进一步地,本发明以上制备方法中,有机溶剂为氘苯、甲苯、苯、氯苯、氟苯或溴苯。
本发明的反应原理如下:
在反应过程中,双茂基稀土金属烷基配合物首先脱除胺硼烷类化合物中胺上的质子或胺上的质子,形成一种β-agostic胺基硼烷基稀土金属络合物,随后该类化合物发生β-H消除得到偶联产物和稀土金属氢化物,氢化物再脱除胺基硼烷胺重新形成β-agostic胺基硼烷基稀土金属络合物并释放出氢气。
借由上述方案,本发明至少具有以下优点:
与之前报道的其它主族、过渡金属催化剂相比,双茂基稀土金属配合物可以在温和的条件下以极高的活性催化胺硼烷类化合物或胺和硼烷的脱氢偶联并释放出氢气。以双五甲基茂基钪烷基配合物催化的二甲胺基硼烷脱氢偶联为例,其室温下的TOF值高达6000h-1,超过了目前报道的所有单一体系金属催化剂。双茂基稀土金属配合物催化的双胺基硼烷的脱氢偶联反应活性远高于目前报道的其它催化剂。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例并配合详细说明如后。
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供了一种胺硼烷的脱氢偶联产物的制备方法,其反应路线和具体步骤分别如下(其中,Me代表甲基,Cat代表催化剂,RT代表室温(20-30℃左右),C6D6代表氘苯):
在手套箱中称取Cp* 2ScCH(SiMe3)2(Cp*=C5Me5)1.4mg溶于100μL氘苯。称取35.3mg二甲胺基硼烷(NMe2H.BH3),加入400μL甲苯溶解,迅速将其加入上述溶液。立刻观察到大量氢气气泡的产生,等到2分钟时无明显气泡产生,迅速从中取出约0.2μL加入核磁管中并向其中加入0.5mL未经干燥的氘苯以焠灭该反应。随后将其置于液氮中冷冻,等到核磁分析时将其解冻。随后通过核磁硼谱对原料转化率和产物分布进行分析,测得其原料转化率为100%,计算可得其TOF值为6000h-1。其产物分布为:[Me2N-BH2]2(A),Me2NH·BH2-NMe2·BH3(B),Me2N=BH2(C),(Me2N)2BH(D),以及痕量其它未知含硼产物(E)。
11B NMR(128MHz,C6D6,298K):δ=38.1(t,1JBH=126.1Hz,C),29.0(d,1JBH=128.6Hz,D),5.4(t,1JBH=112.8Hz,A),2.2(t,1JBH=109.7Hz,B),-12.8(q,1JBH=94.5Hz,B),-17.4(m,E)。
其中A为主要产物,通过硼谱积分可得其含量为91.7%。
以上实施例中,Cp* 2ScCH(SiMe3)2(Cp*=C5Me5)的结构式如下,如无特殊说明,以下实施例中的含义同此处:
RE为Sc,R1为CH(SiMe3)2;R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11均为甲基。
实施例2
本实施例提供了一种胺硼烷的脱氢偶联产物的制备方法,其反应路线同实施例1,具体步骤如下:
在手套箱中称取Cp* 2ScCH(SiMe3)2(Cp*=C5Me5)1.4mg溶于100μL氘苯。称取88.3mg二甲胺基硼烷(NMe2H.BH3),加入400μL甲苯溶解,迅速将其加入上述溶液。立刻观察到大量氢气气泡的产生,等到4分钟时无明显气泡产生,迅速从中取出约0.2μL加入核磁管中并向其中加入0.5mL未经干燥的氘苯以焠灭该反应。随后将其置于液氮中冷冻,等到核磁分析时将其解冻。随后通过核磁硼谱对原料转化率和产物分布进行分析,测得其原料转化率为97.4%,计算可得其TOF值为4870h-1。其产物分布为:[Me2N-BH2]2(A),Me2NH·BH2-NMe2·BH3(B),Me2N=BH2(C),(Me2N)2BH(D),以及痕量其它未知含硼产物(E)。
11B NMR(128MHz,C6D6,298K):δ=38.1(t,1JBH=126.1Hz,C),29.0(d,1JBH=128.6Hz,D),5.4(t,1JBH=112.8Hz,A),2.2(t,1JBH=109.7Hz,B),-12.8(A+B),-17.4(m,E)。
其中A和B为主要产物,通过硼谱积分可得其含量分别为38.2%(A)和56.5(B)。
实施例3
本实施例提供了一种胺硼烷的脱氢偶联产物的制备方法,其反应路线同实施例1,具体步骤如下:
在手套箱中称取Cp* 2LuCH(SiMe3)2(Cp*=C5Me5)1.8mg溶于100μL氘苯。称取35.3mg二甲胺基硼烷(NMe2H.BH3),加入400μL甲苯溶解,迅速将其加入上述溶液。立刻观察到大量氢气气泡的产生,等到6分钟时无明显气泡产生,迅速从中取出约0.2μL加入核磁管中并向其中加入0.5mL未经干燥的氘苯以焠灭该反应。随后将其置于液氮中冷冻,等到核磁分析时将其解冻。随后通过核磁硼谱对原料转化率和产物分布进行分析,测得其原料转化率为100%,计算可得其TOF值为2000h-1。其产物分布为:[Me2N-BH2]2(A),Me2NH·BH2-NMe2·BH3(B),Me2N=BH2(C),(Me2N)2BH(D),以及痕量其它未知含硼产物(E)。
11B NMR(128MHz,C6D6,298K):δ=38.1(t,1JBH=126.1Hz,C),29.0(d,1JBH=128.6Hz,D),5.4(t,1JBH=112.8Hz,A),2.2(t,1JBH=109.7Hz,B),-12.8(q,1JBH=94.5Hz,B),-17.4(m,E)。
其中A和B为主要产物,通过硼谱积分可得其含量分别为80.0%(A)和12.8%(B)。
本实施例中,Cp* 2LuCH(SiMe3)2(Cp*=C5Me5)的结构式如下:
RE为Lu,R1为CH(SiMe3)2;R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11均为甲基。
实施例4
本实施例提供了一种胺硼烷的脱氢偶联产物的制备方法,其反应路线同实施例1,具体步骤如下:
在手套箱中称取Cp* 2YCH(SiMe3)2(Cp*=C5Me5)1.6mg溶于100μL氘苯。称取35.3mg二甲胺基硼烷(NMe2H.BH3),加入400μL甲苯溶解,迅速将其加入上述溶液。立刻观察到大量氢气气泡的产生,等到10分钟时无明显气泡产生,迅速从中取出约0.2μL加入核磁管中并向其中加入0.5mL未经干燥的氘苯以焠灭该反应。随后将其置于液氮中冷冻,等到核磁分析时将其解冻。随后通过核磁硼谱对原料转化率和产物分布进行分析,测得其原料转化率为100%,计算可得其TOF值为1200h-1。其产物分布为:[Me2N-BH2]2(A),Me2NH·BH2-NMe2·BH3(B),Me2N=BH2(C),(Me2N)2BH(D)。
11B NMR(128MHz,C6D6,298K):δ=38.1(t,1JBH=126.1Hz,C),29.0(d,1JBH=128.6Hz,D),5.4(t,1JBH=112.8Hz,A),2.2(t,1JBH=109.7Hz,B),-12.8(q,1JBH=94.5Hz,B)。
其中A和B为主要产物,通过硼谱积分可得其含量分别为42.7%(A)和53.0%(B)。
本实施例中,Cp* 2YCH(SiMe3)2(Cp*=C5Me5)的结构式如下:
RE为Y,R1为CH(SiMe3)2;R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11均为甲基。
实施例5
本实施例提供了一种胺硼烷的脱氢偶联产物的制备方法,其反应路线同实施例1,具体步骤如下:
在手套箱中称取Cp* 2ScCH2SiMe3(Cp*=C5Me5)1.2mg溶于100μL氘苯。称取35.3mg二甲胺基硼烷(NMe2H.BH3),加入400μL甲苯溶解,迅速将其加入上述溶液。立刻观察到大量氢气气泡的产生,等到4分钟时无明显气泡产生,迅速从中取出约0.2μL加入核磁管中并向其中加入0.5mL未经干燥的氘苯以焠灭该反应。随后将其置于液氮中冷冻,等到核磁分析时将其解冻。随后通过核磁硼谱对原料转化率和产物分布进行分析,测得其原料转化率为100%,计算可得其TOF值为6000h-1。其产物分布为:[Me2N-BH2]2(A),Me2NH·BH2-NMe2·BH3(B),Me2N=BH2(C),(Me2N)2BH(D),以及痕量其它未知含硼产物(E)。
11B NMR(128MHz,C6D6,298K):δ=38.1(t,1JBH=126.1Hz,C),29.0(d,1JBH=128.6Hz,D),5.4(t,1JBH=112.8Hz,A),2.2(t,1JBH=109.7Hz,B),-12.8(q,1JBH=94.5Hz,B),-17.4(m,E)。
其中A和B为主要产物,通过硼谱积分可得其含量分别为81.3%(A)和9.3%(B)。
本实施例中,Cp* 2ScCH2SiMe3(Cp*=C5Me5)的结构式如下,如无特殊说明,以下实施例中的含义同此处:
RE为Sc,R1为CH2SiMe3;R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11均为甲基。
实施例6
本实施例提供了一种双胺基硼烷的脱氢偶联产物的制备方法,其反应路线(n=1,R=Me)和具体步骤分别如下:
在手套箱中称取Cp* 2ScCH2SiMe3(Cp*=C5Me5)1.0mg溶于100μL氘苯。称取25.3mgN,N'-二甲基乙二胺基硼烷(E),加入400μL甲苯溶解,迅速将其加入上述溶液。立刻观察到大量氢气气泡的产生,等到5分钟时无明显气泡产生,迅速从中取出约0.2μL加入核磁管中并向其中加入0.5mL未经干燥的氘苯以焠灭该反应。随后将其置于液氮中冷冻,等到核磁分析时将其解冻。随后通过核磁硼谱对原料转化率和产物分布进行分析,测得其产物H的核磁收率为100%,计算可得其TOF值为1200h-1。
11B NMR(128MHz,C6D6,298K):δ=29.3(d,1JBH=142.1Hz,H)。
实施例7
本实施例提供了一种双胺基硼烷的脱氢偶联产物的制备方法,其反应路线(n=1,R=异丙基(iPr))和具体步骤分别如下:
在手套箱中称取Cp* 2ScCH2SiMe3(Cp*=C5Me5)1.0mg溶于100μL氘苯。称取19.6mgN,N'-二异丙基乙二胺基硼烷(F),加入400μL甲苯溶解,迅速将其加入上述溶液。立刻观察到大量氢气气泡的产生,等到5分钟时无明显气泡产生,迅速从中取出约0.2μL加入核磁管中并向其中加入0.5mL未经干燥的氘苯以焠灭该反应。随后将其置于液氮中冷冻,等到核磁分析时将其解冻。随后通过核磁硼谱对原料转化率和产物分布进行分析,测得其产物I的核磁收率为100%,计算可得其TOF值为600h-1。
11B NMR(128MHz,C6D6,298K):δ=26.7(d,1JBH=142.0Hz,I)。
实施例8
本实施例提供了一种双胺基硼烷的脱氢偶联产物的制备方法,其反应路线(n=2,R=Me)和具体步骤分别如下:
在手套箱中称取Cp* 2ScCH2SiMe3(Cp*=C5Me5)1.0mg溶于100μL氘苯。称取14.4mgN,N'-二甲基丙二胺基硼烷(G),加入400μL甲苯溶解,迅速将其加入上述溶液。立刻观察到大量氢气气泡的产生,等到10分钟时无明显气泡产生,迅速从中取出约0.2μL加入核磁管中并向其中加入0.5mL未经干燥的氘苯以焠灭该反应。随后将其置于液氮中冷冻,等到核磁分析时将其解冻。随后通过核磁硼谱对原料转化率和产物分布进行分析,测得其产物J的核磁收率为100%,计算可得其TOF值为300h-1。
11B NMR(128MHz,C6D6,298K):δ=27.0(d,1JBH=136.3Hz,J)。
实施例9
本实施例提供了一种脂肪胺和硼烷的分子间脱氢偶联产物的制备方法,其反应路线和具体步骤分别如下:
在手套箱中称取Cp* 2ScCH2SiMe3(Cp*=C5Me5)4.0mg溶于100μL氘苯。称取12.8mg频哪醇硼烷,再称取7.3mg正丁胺并加入400μL甲苯溶解,然后将该溶液与频哪醇硼烷混合并迅速将其加入催化剂溶液。立刻观察到大量氢气气泡的产生,等到0.5分钟时无明显气泡产生,迅速从中取出约0.2μL加入核磁管中并向其中加入0.5mL未经干燥的氘苯以焠灭该反应。随后将其置于液氮中冷冻,等到核磁分析时将其解冻。随后通过核磁硼谱对原料转化率和产物分布进行分析,测得其产物K的核磁收率为100%,计算可得其TOF值为1200h-1。
11B NMR(128MHz,C6D6,298K):δ=19.8(s,K)。
实施例10
本实施例提供了一种脂肪胺和硼烷的分子间脱氢偶联产物的制备方法,其反应路线和具体步骤分别如下:
在手套箱中称取Cp* 2ScCH2SiMe3(Cp*=C5Me5)4.0mg溶于100μL氘苯。称取12.1mg9-BBN,再称取7.3mg正丁胺并加入400μL甲苯溶解,然后将该溶液与9-BBN混合并迅速将其加入催化剂溶液。立刻观察到大量氢气气泡的产生,等到5分钟时无明显气泡产生,迅速从中取出约0.2μL加入核磁管中并向其中加入0.5mL未经干燥的氘苯以焠灭该反应。随后将其置于液氮中冷冻,等到核磁分析时将其解冻。随后通过核磁硼谱对原料转化率和产物分布进行分析,测得其产物L的核磁收率为100%,计算可得其TOF值为120h-1。
11B NMR(128MHz,C6D6,298K):δ=48.4(s,L)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,并不用于限制本发明,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.双茂基稀土金属配合物在催化胺硼烷类化合物脱氢偶联反应或胺和硼烷的分子间脱氢偶联反应中的应用,反应温度为10-50℃,其中,所述双茂基稀土金属配合物的结构式如下:
RE为钪或镥;
R1为CH(SiMe3)2或CH2SiMe3;
R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11为C1-C4烷基;
所述胺硼烷类化合物为式(1)所示的胺硼烷或式(2)所示的双胺基硼烷,其中,式(1)和式(2)分别如下:
R12、R13、R16和R17独立地选自氢、C1-C12烷基或C6-C24芳基;
R14、R15和R18独立地选自氢、C1-C12烷基、C1-C12烷氧基或C6-C24芳基;
n为1-4中的任一整数;
所述胺为NH3、正丁胺或NHMe2;
所述硼烷为BH3、频哪醇硼烷或9-BBN。
2.根据权利要求1所述的应用,其特征在于:所述双茂基稀土金属配合物的用量为胺硼烷类化合物或胺的摩尔数的0.2-10%。
3.一种胺硼烷类化合物的脱氢偶联产物的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将胺硼烷类化合物在双茂基稀土金属配合物的催化作用下,在有机溶剂中于10-50℃下反应,得到所述胺硼烷类化合物的脱氢偶联产物,其中,所述双茂基稀土金属配合物的结构式如下:
RE为钪或镥;
R1为CH(SiMe3)2或CH2SiMe3;
R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11为C1-C4烷基;
所述胺硼烷类化合物为式(1)所示的胺硼烷或式(2)所示的双胺基硼烷,其中,式(1)和式(2)分别如下:
R12、R13、R16和R17独立地选自氢、C1-C12烷基或C6-C24芳基;
R14、R15和R18独立地选自氢、C1-C12烷基、C1-C12烷氧基或C6-C24芳基;
n为1-4中的任一整数。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述双茂基稀土金属配合物的用量为胺硼烷类化合物的摩尔数的0.2-10%。
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