CN113354562A - 侧链高度有序排列的刷形聚合物及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于功能高分子化合物制备技术领域，具体涉及侧链高度有序排列的刷形聚合物及其制备方法和应用。本发明所提供的线形主链可以在室温下，无需催化的存在下制备。其相对分子量为1万以上，使用其制备的刷形聚合物的不同侧基沿着主链有序排列(即主链上活性基团羟基、叠氮基和OTs基100％被侧链取代)，这是其他链式聚合难以实现的，且现有方法无法获得本申请高分子量的刷形聚合物。

Description

侧链高度有序排列的刷形聚合物及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于功能高分子化合物制备技术领域，具体涉及侧链高度有序排列的刷形聚合物及其制备方法和应用。

背景技术

刷状聚合物作为重要的纳米件(ACS Macro Lett.2012,1,1146-1149)，可以用于单分子模板制备纳米线，纳米棒，载药，光子晶体等，因此结构多样的刷形聚合物的合成具有重要意义。

刷状聚合物的合成目前仅限于链式聚合。链式聚合的问题在于能制备出高分子量的聚合物，但由于链式聚合物对单体序列控制存在问题，得到的刷状聚合物组成单一。有部分研究组采用链式的无规共聚得到主链，之后接枝不同的聚合物侧链，但实际其序列仍然不明确。而传统的缩聚虽然得到的聚合物组成多样，序列明确，但存在分子量做不大的问题。目前合成侧链有序排列的刷形聚合物还没有相关实现的方法。

发明内容

为改善上述技术问题，本发明首先提供如下式I，或式II，或式III所示的刷形聚合物，

其中，n相同或不同，彼此独立地选自1-100的数；

a、b、c、d、e相同或不同，彼此独立地选自1-6的数；

P₁、P₃、P₅相同或不同，彼此独立地为如下结构：

聚丙烯酸乙酯链(PEA)，

聚乙二醇链(PEO)，

聚苯乙烯链(PS)

其中，

处为连接位点，x选自3-50的数；y选自5-100的数；z选自3-95的数。

根据本发明的实施方案，n相同或不同，彼此独立地选自20-80的数；

a、b、c、d、e相同或不同，彼此独立地选自1-3的数；

P₁为聚丙烯酸乙酯链；

P₃为聚乙二醇链；

P₅为聚苯乙烯链。

根据本发明优选的实施方案，式I选自如下聚合物，

其聚合度为1-100。

根据本发明优选的实施方案，式II选自如下聚合物，

其聚合度为1-100。

根据本发明优选的实施方案，式III选自如下聚合物，

其聚合度为1-100。

根据本发明的实施方案，式I，式II，式III中除P₁、P₃、P₅外的线形主链的相对分子量为10000以上，例如为20000-200000，如70000。

根据本发明的实施方案，所述聚丙烯酸乙酯链的数均分子量为500～10000g/mol，例如1000～5000g/mol，如2400g/mol。

根据本发明的实施方案，所述聚乙二醇链的数均分子量为200～5000g/mol，例如800～3000g/mol，如1000g/mol。

根据本发明的实施方案，所述聚苯乙烯链的数均分子量为500～10000g/mol，例如1000～5000g/mol，如2600g/mol。

本发明还提供一种如下式A所示的单体化合物，

其中a、b、c相同或不同，彼此独立地选自1-6的数。

本发明还提供一种如下式B所示的单体化合物，

其中d选自1-6的数。

本发明还提供一种如下式C所示的线形主链聚合物，

a、b、c、d相同或不同，彼此独立地选自1-6的数；

n选自1-100的数。

本发明还提供式A所示的单体化合物在制备式C所示的线形主链聚合物中的用途。

本发明还提供式B所示的单体化合物在制备式C所示的线形主链聚合物中的用途。

本发明还提供式C所示的线形主链聚合物的制备方法，包括如下步骤：

将A所示的单体化合物与式B所示的单体化合物反应得到式C所示的线形主链聚合物。

根据本发明的实施方案，A所示的单体化合物与式B所示的单体化合物的摩尔比为1:(1-1.1)，例如为1:1。

根据本发明的实施方案，所述反应在0-40℃下进行。

本发明还提供式C所示的单体化合物在制备式I，或式II，或式III所示的刷形聚合物中的用途。

本发明还提供式I所示刷形聚合物的制备方法，包括如下步骤：

式C所示线形主链聚合物与聚合物链中带有叠氮基团的聚合物N₃-P₁发生CUAAC点击化学反应；

其中聚合物链中带有叠氮基团的聚合物N₃-P₁中的基团P₁具有上文所述的定义。

根据本发明的实施方案，所述反应在酰胺类溶剂中进行，例如在DMF中进行。

根据本发明的实施方案，所述反应在Cu催化剂的存在下，例如在CuBr、CuI、醋酸铜、硫酸铜等的存在下进行。

根据本发明的实施方案，所述反应还在有机胺的存在下进行，例如在PMDETA、TEA、DIPEA等的存在下进行。

根据本发明的实施方案，聚合物链中带有叠氮基团的聚合物N₃-P₁，式C所示线形主链聚合物，Cu催化剂及有机胺的摩尔比为(1-3):1:(1-3):(1-3)，例如2:1:1:1。

根据本发明的实施方案，反应的温度为10-60℃。

根据本发明的实施方案，反应的时间为1-24h。

根据本发明的实施方案，反应完成后使用甲醇透析。

本发明还提供式I所示刷形聚合物在制备式II所示刷形聚合物中的用途。

本发明还提供式II所示刷形聚合物的制备方法，包括如下步骤：

1)将式I所示刷形聚合物与式II-1化合物或其酸酐反应得到式II-2所示聚合物，

2)式II-2所示聚合物与聚合物链中带有叠氮基团的聚合物N₃-P₃发生CUAAC点击化学反应；

其中，式II-1化合物中e具有上文所述的定义，式II-2所示聚合物中a、b、c、d具有上文所述定义；

聚合物链中带有叠氮基团的聚合物N₃-P₃中的基团P₃具有上文所述的定义。

根据本发明的实施方案，步骤1)中，所述反应为缩合反应，在缩合剂例如EDC.HCl和DMAP的存在下进行。

根据本发明的实施方案，步骤1)中，式I所示刷形聚合物与式II-1化合物或其酸酐的摩尔比为1：(10-100)。

根据本发明的实施方案，步骤1)中，反应完成后在甲醇中透析。

根据本发明的实施方案，步骤2)中，所述反应在酰胺类溶剂中进行。

根据本发明的实施方案，步骤2)中，所述反应在Cu催化剂的存在下，例如在CuBr、CuI、醋酸铜、硫酸铜等的存在下进行。

根据本发明的实施方案，步骤2)中，所述反应还在有机胺的存在下进行，例如在PMDETA、TEA、DIPEA等的存在下进行。

根据本发明的实施方案，聚合物链中带有叠氮基团的聚合物N₃-P₃，式II-2所示聚合物，Cu催化剂及有机胺的摩尔比为(1-3):1:(1-3):(1-3)，例如2:1:1:1。

根据本发明的实施方案，反应的温度为10-60℃。

根据本发明的实施方案，反应的时间为1-24h。

根据本发明的实施方案，反应完成后使用甲醇透析。

本发明还提供式II所示刷形聚合物在制备式III所示刷形聚合物中的用途。

本发明还提供式III所示刷形聚合物的制备方法，包括如下步骤：

s1)将式II所示刷形聚合物与叠氮钠反应得到式III-1所示聚合物，

s2)式III-1所示聚合物与聚合物链中带有炔基基团的聚合物

发生CUAAC点击化学反应；

其中，式III-1所示聚合物中a、b、c、d、e、n具有上文所述定义；

聚合物链中带有炔基基团的聚合物

中的基团P₅具有上文所述的定义。

根据本发明的实施方案，步骤s1)中，式II所示刷形聚合物与叠氮钠的摩尔比为1：(10-100)。

根据本发明的实施方案，步骤s1)中，反应完成后在甲醇中透析。

根据本发明的实施方案，步骤s2)中，所述反应在酰胺类溶剂中进行。

根据本发明的实施方案，步骤s2)中，所述反应在Cu催化剂的存在下，例如在CuBr、CuI、醋酸铜、硫酸铜等的存在下进行。

根据本发明的实施方案，步骤s2)中，所述反应还在有机胺的存在下进行，例如在PMDETA、TEA、DIPEA等的存在下进行。

根据本发明的实施方案，聚合物链中带有炔基基团的聚合物

式III-1所示聚合物，Cu催化剂及有机胺的摩尔比为(1-3):1:(1-3):(1-3)，例如2:1:1:1。

根据本发明的实施方案，反应的温度为10-60℃。

根据本发明的实施方案，反应的时间为1-24h。

根据本发明的实施方案，反应完成后使用甲醇透析。

本发明还提供式I，或式II，或式III所示的刷形聚合物中至少一种在制备单分子模板，载药，光子晶体中的用途。

根据本发明的实施方案，所述分子模板用于制备纳米线或纳米棒。

本发明的有益效果

本发明所提供的线形主链可以在室温下，无需催化的存在下制备。其相对分子量为1万以上，使用其制备的刷形聚合物的不同侧基沿着主链有序排列(即主链上活性基团羟基、叠氮基和OTs基100％被侧链取代)，这是其他链式聚合难以实现的，且现有方法无法获得本申请高分子量的刷形聚合物。

本申请中涉及的数值范围指包括该范围端点及端点中间所有的数，例如“1-100”的数指端点1和100及端点中间所有的数例如2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13……99。其它的数值范围具有相同定义，例如1-6等。

附图说明

图1为实施例1中制备的单体1的结构图；

图2为实施例1中制备的单体2的结构图；

图3为实施例1中制备的高分子量线形主链聚合物的结构图；

图4为实施例2中制备的一种侧链刷的结构图；

图5为实施例3中制备的两种侧链刷的结构图；

图6为实施例4中制备的三种侧链刷的结构图；

图7为实施例1中制备的单体1的核磁谱图(使用的氘代试剂为氘代二甲基亚砜)；

图8为实施例1中制备的单体2的核磁谱图(使用的氘代试剂为氘代二氯甲烷)；

图9为实施例1中制备的高分子量线形主链聚合物的核磁谱图(使用的氘代试剂为氘代二氯甲烷)；

图10为实施例1中制备的PEA侧链的核磁谱图(使用的氘代试剂为氘代氯仿)；

图11为实施例1中制备的PEO侧链的核磁谱图(使用的氘代试剂为氘代氯仿)；

图12为实施例1中制备的PS侧链的核磁谱图(使用的氘代试剂为氘代氯仿)；

图13为实施例2中制备的一种侧链刷的核磁谱图(使用的氘代试剂为氘代二氯甲烷)；

图14为实施例3中制备的两种侧链刷的核磁谱图(使用的氘代试剂为氘代二氯甲烷)；

图15为实施例4中制备的三种侧链刷的核磁谱图(使用的氘代试剂为氘代二氯甲烷)；

图16为实施例1中制备的高分子量线形主链聚合物，实施例2-4中制备的三种侧链刷的GPC图；

图17为实施例1中单体1的合成路线图；

图18为实施例1中单体2的合成路线图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

如下实施例中测试方法采用核磁和凝胶渗透色谱：

液体核磁共振谱仪型号为Bruker Fourier 300；

凝胶渗透色谱表征条件是：流动相DMF，柱温箱50℃，流速1ml/min，色谱柱AgilentPL MixedA，Mixed B，Mixed B三根串联。

实施例1

1.1功能化单体DBA的制备路线如图17所示，具体步骤为：

1)己二酰氯(3g)和液溴(2.2ml)混合，室温下搅拌24h，之后于80℃下反应3h。将反应液冷却至室温，减压除去液溴，得浅棕色液体。将所得液体和丁炔醇(3g，42.8mmol)溶于30ml二氯甲烷，室温搅拌过夜后旋干溶剂，过柱子(V_石油醚：V_乙酸乙酯＝20:1)纯化，得中间体1(3g，收率50％)。

2)将中间体1(2g)，烯丙基羟乙基醚(5g)，三(2-二甲氨基乙基)胺(ME6TREN，222mg)溶于10mlDMF，冻融三次后加铜粉(31mg，0.49mmol)和溴化铜(108mg)，冻融一次后于40℃下搅拌，反应24h，纯化得中间体2(1.8g，收率55％)。

3)将上一步中间体2(1.8g)，叠氮钠(0.8g)溶于15mlDMF，50℃下搅拌过夜，纯化得中间体3(1.4g，收率90％)。

4)将上一步中间体3(1.4g)，TEA(1.12g)溶于15mlDCM，冰浴下滴加TsCl(2.84g)的DCM溶液，除去冰浴，室温下反应过夜，纯化得单体1(1.3g，收率71％)。其结构如图1所示，核磁谱图如7所示。

1.2多功能单体的制备路线如图18所示，具体步骤如下：

1)取250ml圆底烧瓶分别加入4-溴-2-甲基苯腈(200mmol)，溴化亚铜(20mmol)和30ml乙酸乙酯，之后再加入5.4M的甲醇钠溶液(150ml)，上述混合物于110℃回流过夜。然后将反应液冷却后抽滤，浓缩滤液，加入200ml二氯甲烷和300ml水，水洗有机相。取有机相用硫酸镁干燥，之后旋除有机相，得到中间体4，无需纯化直接用于下一步反应。

2)取中间体4加入NBS(200mmol)，BPO(3.8mmol)溶解到390ml四氯化碳溶液中，之后90℃下回流过夜，冷却后抽滤，浓缩滤液得到中间体5。中间体5无需纯化直接用于下一步反应。

3)取中间体5(190mmol)溶解到250mlDMF中，之后加入到苯基亚硫酸钠230mmol，反应液于80℃下反应3h。之后旋蒸除去DMF，加入300ml二氯甲烷，取300ml水洗涤有机相，干燥，浓缩，粗产物于乙酸乙酯中重结晶得到中间体6(35.5g)，三步总收率60％。

4)取上一步制备的中间体6溶解到干燥二氯甲烷中，温度降到-78℃，然后缓慢滴加136ml 1M DIBAL-H于反应液中，反应液于0℃反应2h，反应完成后缓慢加入200ml 0.5M的稀盐酸溶液中，再用300ml二氯甲烷萃取。有机相采用无水硫酸镁干燥，粗产物用V_石油醚：V_乙酸乙酯＝1:1淋洗剂，过硅胶柱纯化，得到中间体7(15.5g，收率46％)。

5)取上一步中间体7溶于干燥二氯甲烷(200ml)，在-78℃将20ml三溴化硼缓慢滴加到反应液中，于-78℃下反应2h，升温到室温反应过夜。缓慢加入50ml甲醇淬灭反应，然后浓缩除去溶剂。之后用石油醚：乙酸乙酯＝1:1淋洗剂过硅胶柱纯化化得到中间体8(12g，产率65％)。

6)将上一步中间体8，3-溴丙基甲基醚(50mmol)和碳酸钾(20mmol)混合溶解到丙酮中，之后回流过夜。反应完成后抽滤后浓缩滤液，粗产物过柱子(V_石油醚：V_乙酸乙酯＝3:1)纯化得中间体9(10g，产物80％)。

7)取中间体9(4g)和氯膦酸二乙酯(1.2g)溶解到干燥四氢呋喃中，降低温度到-78℃，然后加入2.4M六甲基二硅氨基锂(5.6ml)，之后在-78℃反应30min，然后升温至室温反应2h，然后降低温度到-78℃，加入1M二异丙基氨基锂溶液(14ml)，在-78℃反应2h，之后用饱和氯化铵淬灭反应，乙酸乙酯/水萃取，浓缩过柱子纯化得中间体10(0.3g，13％)。

8)将中间体10(0.3g)溶于浓度为1M盐酸四氢呋喃溶液(10ml)，在室温下搅拌过夜。加入100ml二氯甲烷，水洗有机相，浓缩干燥，过柱子(淋洗剂为体积比二氯甲烷：甲醇＝100:1)纯化得单体2(200mg，收率80％)。其结构如图2所示，核磁谱图如8所示。

1.3主链的制备，具体步骤如下：

将单体1和2在室温下按照摩尔比1:1混合溶于二氯甲烷中，使二氯甲烷中单体1和2的各自的摩尔浓度均为0.5M，搅拌2h，于乙醚/正己烷混合溶剂中沉降，除去低分子量的环形聚合物，得到高分子量线形主链聚合物，其结构如图3所示，核磁表征结果如图9所示，GPC检测结果如图16所示(P0对应的检测结果)。由图13可知其相对分子量为7w。由图9可知聚合度为55。

1.4侧链的制备，具体步骤如下：

PEA侧链的制备：

取丙烯酸乙酯：溴代异丁酰苄醇酯：溴化亚铜：PMDETA＝100:1:1:1(摩尔比)，以DMF作为溶剂，采用标椎希莱克操作，冻融除氧后，于60℃下反应20min；开盖，加入100mlTHF，过碱性氧化铝除铜，浓缩后干燥后直接进行下一步反应；取200mg上一步所得中间体和叠氮钠(50mg)溶解于2ml DMF于40℃下搅拌24h，之后加入100mlTHF过碱性氧化铝，浓缩得PEA侧链，核磁如图10知PEA侧链的聚合度为22，数均分子量为2400。

1.5PEO侧链的制备，具体步骤如下：

PEO侧链的制备：取PEO-OH(200mg)，叠氮丙酸(50mg)，EDC.HCl(50mg)和DMAP(20mg)溶于3mlDCM，室温下搅拌24h；之后于乙醚中沉降，干燥得PEO侧链；核磁如图11知其聚合度为22，数均分子量为1000。

1.6PS侧链的制备，具体步骤如下：

PS侧链的制备：取苯乙烯:溴代异丁酰乙二醇酯:溴化亚铜：PMDETA＝100:1:1:1(摩尔比)以DMF作为溶剂，采用标椎希莱克操作，冻融除氧后，于60℃下反应1h；开盖，加入100mlTHF，过碱性氧化铝后浓缩，在甲醇中沉降，干燥后直接进行下一步反应；取300mg上一步中间体，戊炔酸(57mg)，EDC.HCl(45mg)和DMAP(15mg)溶于DCM(3ml)，室温下搅拌24h；之后于冰甲醇中沉降，干燥得PS侧链，核磁如图12知其聚合度为24，数均分子量为2600。

实施例2

一种侧链刷的制备，具体步骤如下：将实施例1制备的高分子量线形主链聚合物溶于DMF中，投料摩尔比为PEA侧链(其数均分子量为2400):炔基官能团(高分子量线形主链聚合物):PMDETA:CuBr＝2:1:1:1，于DMF中40℃搅拌12h。之后于甲醇中透析24h得一种侧链的刷形聚合物，其结构如图4所示(聚合度为55)，核磁表征数据如图13所示，GPC检测结果如图16所示(P0-g-PEA对应的检测结果)，由图13可知高分子量线形主链聚合物中的炔基反应位点100％被PEA侧链取代。

实施例3

两种侧链刷的制备，具体步骤如下：将实施例2制备的第一种刷形聚合物上的羟基改性为炔基，具体改性步骤为：取第一种刷形聚合物(50mg)和戊炔酸酐(50mg)混合于2ml二氯甲烷，加入4-二甲氨基吡啶(50mg)，室温下搅拌24h，于甲醇中透析24h，直接用于下一步反应。

侧链改用PEO，投料比为PEO侧链(其数均分子量为1000):炔基官能团(第一种刷形聚合物上羟基改性为炔基的聚合物):PMDETA:CuBr＝2:1:1:1(摩尔比)，于DMF中40℃搅拌12h；之后于甲醇中透析24h得聚乙二醇和聚丙烯酸乙酯两种侧链排列的刷形聚合物。其结构如图5所示(聚合度为55)，核磁表征数据如图14所示，GPC检测结果如图16所示(P0-g-PEA-PEO对应的检测结果)，由图14可知第一种刷形聚合物上新修饰的炔基反应位点完全被PEO侧链取代。

实施例4

三种侧链刷的制备，具体步骤如下：

首先对实施例3中的两种侧链刷进行OTs基团改性，将其改性为叠氮基，具体的改性步骤为：取第二种侧链刷(50mg)和叠氮钠(50mg)溶于2ml DMF中于40℃下反应24h，在甲醇中透析24h后，直接进行下一步反应。

对改性后的第二种刷形聚合聚合物进行PS(其数均分子量为2600)接枝，具体的操作过程为:投料摩尔比为PS侧链(其数均分子量为2600):叠氮基官能团:PMDETA:CuBr＝2:1:1:1，于DMF中40℃搅拌12h；之后于甲醇中透析24h，得聚乙二醇，聚丙烯酸乙酯以及聚苯乙烯三种侧链有序排列的刷形聚合物。其结构如图6所示(聚合度为55)，核磁表征数据如图15所示，GPC检测结果如图16所示(P0-g-PEA-PEO-PS对应的检测结果)，由图15可知主链的叠氮反应位点完全被侧链PS所取代。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.如下式A所示的单体化合物，

其中a、b、c相同或不同，彼此独立地选自1-6的数。

2.式B所示的单体化合物，

其中d选自1-6的数。

3.式C所示的线形主链聚合物，

a、b、c、d相同或不同，彼此独立地选自1-6的数；

n选自1-100的数。

4.权利要求3所述式C所示的线形主链聚合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将权利要求1所述A所示的单体化合物与权利要求2所述式B所示的单体化合物反应得到式C所示的线形主链聚合物。

5.权利要求3所述式C所示的单体化合物在制备如下所述式I，或式II，或式III所示的刷形聚合物中的用途，

其中，n相同或不同，彼此独立地选自1-100的数；

a、b、c、d、e相同或不同，彼此独立地选自1-6的数；

P₁、P₃、P₅相同或不同，彼此独立地为如下结构：

聚丙烯酸乙酯链(PEA)，

聚乙二醇链(PEO)，

聚苯乙烯链(PS)

其中，

处为连接位点，x选自3-50的数；y选自5-100的数；z选自3-95的数。

6.式I，或式II，或式III所示的刷形聚合物，

其中，n相同或不同，彼此独立地选自1-100的数；

a、b、c、d、e相同或不同，彼此独立地选自1-6的数；

P₁、P₃、P₅相同或不同，彼此独立地为如下结构：

聚丙烯酸乙酯链PEA，

聚乙二醇链PEO，

聚苯乙烯链PS

其中，

处为连接位点，x选自3-50的数；y选自5-100的数；z选自3-95的数。

7.权利要求6所述式I所示刷形聚合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将权利要求3所述式C所示线形主链聚合物与聚合物链中带有叠氮基团的聚合物N₃-P₁发生CUAAC点击化学反应；

其中聚合物链中带有叠氮基团的聚合物N₃-P₁中的基团P₁具有权利要求6所述的定义。

8.权利要求6所述式II所示刷形聚合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将权利要求6所述式I所示刷形聚合物与式II-1化合物或其酸酐反应得到式II-2所示聚合物，

2)式II-2所示聚合物与聚合物链中带有叠氮基团的聚合物N₃-P₃发生CUAAC点击化学反应；

其中，式II-1化合物具有权利要求6中所述的定义，式II-2所示聚合物中a、b、c、d具有权利要求6中所述定义；

聚合物链中带有叠氮基团的聚合物N₃-P₃中的基团P₃具有权利要求6中的定义。

9.权利要求6所述式III所示刷形聚合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

s1)将权利要求6所述式II所示刷形聚合物与叠氮钠反应得到式III-1所示聚合物，

s2)式III-1所示聚合物与聚合物链中带有炔基基团的聚合物

发生CUAAC点击化学反应；

其中，式III-1所示聚合物中a、b、c、d、e、n具有权利要求6所述定义；

聚合物链中带有炔基基团的聚合物

中的基团P₅具有权利要求6所述的定义。

10.权利要求6所述式I，或式II，或式III所示的刷形聚合物中至少一种在制备单分子模板，载药，光子晶体中的用途。

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