CN114539039A - 一种光-酶催化合成手性氟代苯乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光‑酶催化合成手性氟代苯乙醇的方法。该方法包括以下步骤:a)将苯乙烯或取代苯乙烯、氟试剂、光催化剂加入反应体系,在氙灯照射下进行第一步反应;b)反应完成后,往a)的反应体系中加入产羰基还原酶的基因工程菌、D‑葡萄糖,进行第二步催化反应;c)反应完成后,以有机溶剂多次萃取,合并有机相,用无水硫酸钠干燥,过滤,回收溶剂得到目标粗产物;d)将目标粗产物进行过柱纯化,得到目标产物。本发明以光、酶催化相结合的方式,实现了不同种类的手性氟代苯乙醇的合成,原料成本低廉,以两步一锅的制备方法操作简便,反应过程条件温和、绿色环保、底物转化率高且立体选择性好。

Description

一种光-酶催化合成手性氟代苯乙醇的方法
技术领域
本发明涉及手性邻氟醇的合成技术领域,具体涉及一种光-酶催化合成手性氟代苯乙醇的方法。
背景技术
氟原子具有原子半径小且电负性大的特点,在有机化合物中引入氟原子,可形成稳定的C-F键,且使化合物的物理、化学性质以及生物活性等发生变化,因而在医药、农药以及材料等各领域均有着重要的应用。其中,手性邻氟醇化合物作为合成如类固醇、类糖等天然产物类似物以及重要药物靶点的中间体,其合成方法的研究与改进也成为了一个重要的研究课题。
邻氟醇的传统化学合成方法,主要为烯烃或环氧化物的氟化,但由于立体选择性的限制,无法应用于手性邻氟醇的合成中。以酮还原酶还原α-氟代酮方法,以其高反应活性以及立体选择性,成为合成手性邻氟醇最有效的途径。而目前α-氟代酮的制备,大多依赖于有机金属催化剂或强氧化剂,制备成本高昂且生产过程易产生环境污染;Deng及其团队开发了以β-酮酸脱羧氟化的方法制备α-氟代酮,但β-酮酸性质不稳定,易分解为酮,需即制备即用,在实际应用中具有一定的限制。Wu及其团队开发了以β-酮酯为原料,以双酶串联催化合成手性邻氟醇,但原料β-酮酯价格较高,且合成路线的原子经济性较低,导致其应用成本较高。
基于目前手性邻氟醇合成方法的局限性,本发明希望开发一种高效、通用且环保的合成方法,并降低合成成本。
发明内容
本发明旨在针对现有技术的技术缺陷,提供一种光-酶催化合成手性α-氟代苯乙醇的方法。该方法以苯乙烯或取代苯乙烯为原料,通过氟试剂氟化得到消旋α-氟代苯乙醇、后以光催化氧化得到α-氟代苯乙酮,最后以不同立体选择性的羰基还原酶催化还原,实现光学纯的两种构型α-氟代苯乙醇及对应衍生物的合成(如化学方程式1),并且合成过程通过两步一锅的方法实现。
Figure BDA0003536332640000021
本发明所述的两步一锅法,第一步为苯乙烯或取代苯乙烯的氟化以及光催化氧化串联反应,在苯乙烯或取代苯乙烯的反应体系中同时加入氟试剂与光催化剂,在光照下进行反应。第二步为羰基还原酶催化第一步产物的立体选择性还原,通过在反应体系中加入不同立体选择性的羰基还原酶实现两种构型α-氟代苯乙醇及对应衍生物的合成。
具体的,本发明提供的一种光-酶催化合成手性氟代苯乙醇的方法,包括以下步骤:
a)将苯乙烯或取代苯乙烯、氟试剂、光催化剂加入反应体系,在氙灯照射下进行第一步反应;
b)反应完成后,往a)的反应体系中加入产羰基还原酶的基因工程菌、D-葡萄糖,进行第二步催化反应;
c)反应完成后,以有机溶剂多次萃取,合并有机相,用无水硫酸钠干燥,过滤,回收溶剂得到目标粗产物;
d)将目标粗产物进行过柱纯化,得到目标产物。
优选的,所述的取代苯乙烯选自3-氯苯乙烯、4-氯苯乙烯、4-氟苯乙烯、4-溴苯乙烯、4-甲氧基苯乙烯中的一种或多种。
优选的,所述的氟试剂为1-氯甲基-4-氟-1,4-重氮化二环2.2.2辛烷双(四氟硼酸盐),即Selectfluor试剂。
优选的,所述的光催化剂选自Tris(2,2-bipyridyl)ruthenium(II)chloridehexahydrate、fac-Tris(2-phenylpyridine)iridium[Ir(ppy)3]、Sodium anthraquinone-2-sulfonate、Riboflavin、Riboflavin tetrabutyrate、Eosin Y中的一种或多种。
本发明中光催化剂的筛选:分别将0.001mmol光催化剂溶于2mL水中,加入1mLα-氟代苯乙醇乙腈溶液中(10mmol/L),在光照下以磁力搅拌12小时。反应结束后,分别取1mL反应溶液,以1mL乙酸乙酯萃取。取上层有机相,以气相色谱检测光催化反应的转化率。以Tris(2,2-bipyridyl)ruthenium(II)chloride hexahydrate、Riboflavin tetrabutyrate、Sodium anthraquinone-2-sulfonate(SAS)、fac-Tris(2-phenylpyridine)iridium[Ir(ppy)3]、Riboflavin为光催化剂,优选所述的光催化剂为Sodium anthraquinone-2-sulfonate(SAS)。
优选的,所述的苯乙烯或取代苯乙烯的浓度为250mmol/L,溶剂为乙腈;所述的氟试剂的浓度为220mmol/L,溶剂为水;所述的光催化剂的浓度为66mmol/L,溶剂为水;所述的苯乙烯或取代苯乙烯、氟试剂、光催化剂的体积比为4:5:3。
本发明所述的产羰基还原酶的基因工程菌,具体构建方法为:将羰基还原酶的基因进行基因合成,构建到能表达外源基因的质粒载体中,然后转化到能表达外源基因的宿主菌中,并对基因工程菌进行发酵培养,实现了羰基还原酶的异源表达。本发明提供的羰基还原酶Carbonyl reductase from Kluyveromyces thermotolerans(KtCR)的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示、carbonyl reductase from Ralstonia sp.(RasADH)的氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。
在本发明中,以LB培养基作为基因工程菌培养表达的碳源、氮源、无机和其他营养物质的介质,进行基因工程菌的培养以及羰基还原酶的表达,并以将培养基离心后得到的菌体细胞作为全细胞催化物。
优选的,所述的产羰基还原酶的基因工程菌的菌液与a)反应体系的体积比为(5~20):1,具体为5:1、20:1、10:1,优选10:1。
所述的产羰基还原酶的基因工程菌的菌液的制备步骤为:将产羰基还原酶的基因工程菌接到预培养基(LB培养基)中,进行预培养。将预培养菌液转接LB培养基中,培养至至OD600达到0.5~0.6,加入诱导剂IPTG诱导表达一段时间,离心收集沉淀的菌体。以100mM、pH 6.5的PBS缓冲液充分重悬收集到的菌体,得到菌液。
本发明的有益效果:本发明以光、酶催化相结合的方式,实现了不同种类的手性氟代苯乙醇的合成,原料成本低廉,以两步一锅的制备方法操作简便,反应过程条件温和、绿色环保、底物转化率高且立体选择性好。
附图说明
图1为(S)-α-氟代苯乙醇气相色谱表征。
图2为(R)-α-氟代苯乙醇气相色谱表征。
图3为(S)-α-氟代苯乙醇核磁谱图1H-NMR。
图4为(R)-α-氟代苯乙醇核磁谱图1H-NMR。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明,而不是对本发明的限制。
实施例1:羰基还原酶基因工程菌的构建和诱导表达
将羰基还原酶KtCR或RasADH的基因(由擎科生物科技有限公司合成)连接在pET28a载体上,酶切位点为NdeI、EcoRI,然后转入大肠杆菌BL21(DE3)感受态细胞中,挑取单克隆即得到重组菌。挑选平板上单菌落接种到20mL含34μg/mL卡那霉素的LB培养基中,培养12h左右作为种子液,按照1%v/v的接种量接种到400mL含34μg/mL卡那霉素的LB培养基中,37℃、200rpm振荡培养约4h至OD600达到0.5~0.6,加入终浓度为0.4mmol/L的异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)诱导表达,继续16℃振荡培养8h。以8000rpm离心5min,收集沉淀的菌体。将收集到的菌体充分重悬于200mL PBS缓冲液(100mM,pH 6.5),得到菌液。
实施例2:α-氟代酮的合成
以苯乙烯或取代苯乙烯为原料,以为1-氯甲基-4-氟-1,4-重氮化二环2.2.2辛烷双(四氟硼酸盐)(Selectfluro)为氟化试剂,加入光催化剂,光照下得到α-氟代苯乙酮及其衍生物。
具体实验过程:
向schleck管中加入5mL水溶解的selectfluro试剂(220mmol/L),加入4mL以乙腈溶解的苯乙烯(250mmol/L)或3-氯苯乙烯(250mmol/L)或4-氯苯乙烯(250mmol/L)或4-氟苯乙烯(250mmol/L)或4-溴苯乙烯(250mmol/L)或4-甲氧基苯乙烯(250mmol/L),加入3mL水溶解的光催化剂SAS(66mmol/L),以空气球通入反应空气,光照下以磁力搅拌4-12小时。取少量反应液,以适量乙酸乙酯萃取,以薄层色谱监测反应进程,至原料以及中间产物α-氟代苯乙醇消耗完全后,停止反应。得到α-氟代苯乙酮及其衍生物反应液。
实施例3:手性α-氟代苯乙醇的合成
分别取表达羰基还原酶RasADH、KtCR的重悬菌液60mL,加入1.5mmol D-葡萄糖以及6mL α-氟代苯乙酮反应液。混合均匀后,在200rpm,30℃条件下反应12h。反应结束后,以30mL乙酸乙酯萃取三次,合并有机相,用无水硫酸钠干燥,过滤,以旋蒸除溶剂得粗产物,以手性气相色谱检测。检测结果为:以RasADH催化反应得到(S)-α-氟代苯乙醇,ee值98%,转化率为100%;以KtCR催化反应得到(R)-α-氟代苯乙醇,ee值99%,转化率为100%。手性气相色谱谱图为图1、图2。对两个产物分别进行过柱纯化,得到光学纯(S)-α-氟代苯乙醇及(R)-α-氟代苯乙醇,核磁谱图见图3、图4。其结构式如下:
Figure BDA0003536332640000061
实施例4:手性α-氟代苯乙醇的合成
分别取表达羰基还原酶RasADH、KtCR的重悬菌液60mL,加入1.5mmol D-葡萄糖以及3mLα-氟代苯乙酮反应液。混合均匀后,在200rpm,30℃条件下反应12h。反应结束后,以30mL乙酸乙酯萃取三次,合并有机相,用无水硫酸钠干燥,过滤,以旋蒸除溶剂得粗产物,以手性气相色谱检测。检测结果为:以RasADH催化反应得到(S)-α-氟代苯乙醇,ee值95%,转化率为100%;以KtCR催化反应得到(R)-α-氟代苯乙醇,ee值96%,转化率为100%。对两个产物分别进行过柱纯化,得到光学纯(S)-α-氟代苯乙醇及(R)-α-氟代苯乙醇。
实施例5:手性α-氟代苯乙醇的合成
分别取表达羰基还原酶RasADH、KtCR的重悬菌液60mL,加入1.5mmol D-葡萄糖以及12mL α-氟代苯乙酮反应液。混合均匀后,在200rpm,30℃条件下反应12h。反应结束后,以30mL乙酸乙酯萃取三次,合并有机相,用无水硫酸钠干燥,过滤,以旋蒸除溶剂得粗产物,以手性气相色谱检测。检测结果为:以RasADH催化反应得到(S)-α-氟代苯乙醇,ee值89%,转化率为22%;以KtCR催化反应得到(R)-α-氟代苯乙醇,ee值71%,转化率为13%。对两个产物分别进行过柱纯化,得到光学纯(S)-α-氟代苯乙醇及(R)-α-氟代苯乙醇。
实施例6:手性α-氟代-3-氯苯乙醇的合成
分别取表达羰基还原酶RasADH、KtCR的重悬菌液60mL,加入1.5mmol D-葡萄糖以及6mL α-氟代-3-氯苯乙酮反应液。混合均匀后,在200rpm,30℃条件下反应12h。反应结束后,以30mL乙酸乙酯萃取三次,合并有机相,用无水硫酸钠干燥,过滤,以旋蒸除溶剂得粗产物,以手性气相色谱检测。检测结果为:以RasADH催化反应得到(S)-α-氟代-3-氯苯乙醇,ee值为98%,转化率为100%;以KtCR催化反应得到(R)-α-氟代-3-氯苯乙醇,ee值为99%,转化率为100%。对两个产物分别进行过柱纯化,得到光学纯(S)-α-氟代-3-氯苯乙醇及(R)-α-氟代-3-氯苯乙醇。其结构式如下:
Figure BDA0003536332640000071
实施例7:手性α-氟代-4-氯苯乙醇的合成
分别取表达羰基还原酶RasADH、KtCR的重悬菌液60mL,加入1.5mmol D-葡萄糖以及6mL α-氟代-4-氯苯乙酮反应液。混合均匀后,在200rpm,30℃条件下反应12h。反应结束后,以30mL乙酸乙酯萃取三次,合并有机相,用无水硫酸钠干燥,过滤,以旋蒸除溶剂得粗产物,以手性气相色谱检测。检测结果为:以RasADH催化反应得到(S)-α-氟代-4-氯苯乙醇,ee值为99%,转化率为100%;以KtCR催化反应得到(R)-α-氟代-4-氯苯乙醇,ee值为97%,转化率为100%。对两个产物分别进行过柱纯化,得到光学纯(S)-α-氟代-4-氯苯乙醇及(R)-α-氟代-4-氯苯乙醇。其结构式如下:
Figure BDA0003536332640000081
实施例8:手性α-氟代-4-氟苯乙醇的合成
分别取表达羰基还原酶RasADH、KtCR的重悬菌液60mL,加入1.5mmol D-葡萄糖以及6mL a-氟代-4-氟苯乙酮反应液。混合均匀后,在200rpm,30℃条件下反应12h。反应结束后,以30mL乙酸乙酯萃取三次,合并有机相,用无水硫酸钠干燥,过滤,以旋蒸除溶剂得粗产物,以手性气相色谱检测。检测结果为:以RasADH催化反应得到(S)-α-氟代-4-氟苯乙醇,ee值为98%,转化率为100%;以KtCR催化反应得到(R)-α-氟代-4-氟苯乙醇,ee值为99%,转化率为100%。对两个产物分别进行过柱纯化,得到光学纯(S)-α-氟代-4-氟苯乙醇及(R)-α-氟代-4-氟苯乙醇。其结构式如下:
Figure BDA0003536332640000082
实施例9:手性α-氟代-4-溴苯乙醇的合成
分别取表达羰基还原酶RasADH、KtCR的重悬菌液60mL,加入1.5mmol D-葡萄糖以及6mLα-氟代-4-溴苯乙酮反应液。混合均匀后,在200rpm,30℃条件下反应12h。反应结束后,以30mL乙酸乙酯萃取三次,合并有机相,用无水硫酸钠干燥,过滤,以旋蒸除溶剂得粗产物,以手性气相色谱检测。检测结果为:以RasADH催化反应得到(S)-α-氟代-4-溴苯乙醇,ee值为>99%,转化率为100%;以KtCR催化反应得到(R)-α-氟代-4-溴苯乙醇,ee值为96%,转化率为100%。对两个产物分别进行过柱纯化,得到光学纯(S)-α-氟代-4-溴苯乙醇及(R)-α-氟代-4-溴苯乙醇。其结构式如下:
Figure BDA0003536332640000091
实施例10:手性α-氟代-4-甲氧基苯乙醇的合成
分别取表达羰基还原酶RasADH、KtCR的重悬菌液60mL,加入1.5mmol D-葡萄糖以及6mL a-氟代-4-甲氧基苯乙酮反应液。混合均匀后,在200rpm,30℃条件下反应12h。反应结束后,以30mL乙酸乙酯萃取三次,合并有机相,用无水硫酸钠干燥,过滤,以旋蒸除溶剂得粗产物,以手性气相色谱检测。检测结果为:以RasADH催化反应得到(S)-α-氟代-4-甲氧基苯乙醇,ee值为98%,转化率为100%;以KtCR催化反应得到(R)-α-氟代-4-甲氧基苯乙醇,ee值为>99%,转化率为100%。对两个产物分别进行过柱纯化,得到光学纯(S)-α-氟代-4-甲氧基苯乙醇及(R)-α-氟代-4-甲氧基苯乙醇。其结构式如下:
Figure BDA0003536332640000092
以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,上述优选实施方式不应视为对本发明的限制,本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明的精神和范围内,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
序列表
<110> 广东省科学院微生物研究所(广东省微生物分析检测中心)
<120> 一种光-酶催化合成手性氟代苯乙醇的方法
<160> 2
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 249
<212> PRT
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
Met Tyr Arg Leu Leu Asn Lys Thr Ala Val Ile Thr Gly Gly Asn Ser
1 5 10 15
Gly Ile Gly Leu Ala Thr Ala Lys Arg Phe Val Ala Glu Gly Ala Tyr
20 25 30
Val Phe Ile Val Gly Arg Arg Arg Lys Glu Leu Glu Gln Ala Ala Ala
35 40 45
Glu Ile Gly Arg Asn Val Thr Ala Val Lys Ala Asp Val Thr Lys Leu
50 55 60
Glu Asp Leu Asp Arg Leu Tyr Ala Ile Val Arg Glu Gln Arg Gly Ser
65 70 75 80
Ile Asp Val Leu Phe Ala Asn Ser Gly Ala Ile Glu Gln Lys Thr Leu
85 90 95
Glu Glu Ile Thr Pro Glu His Tyr Asp Arg Thr Phe Asp Val Asn Val
100 105 110
Arg Gly Leu Ile Phe Thr Val Gln Lys Ala Leu Pro Leu Leu Arg Asp
115 120 125
Gly Gly Ser Val Ile Leu Thr Ser Ser Val Ala Gly Val Leu Gly Leu
130 135 140
Gln Ala His Asp Thr Tyr Ser Ala Ala Lys Ala Ala Val Arg Ser Leu
145 150 155 160
Ala Arg Thr Trp Thr Thr Glu Leu Lys Gly Arg Ser Ile Arg Val Asn
165 170 175
Ala Val Ser Pro Gly Ala Ile Asp Thr Pro Ile Ile Glu Asn Gln Val
180 185 190
Ser Thr Gln Glu Glu Ala Asp Glu Leu Arg Ala Lys Phe Ala Ala Ala
195 200 205
Thr Pro Leu Gly Arg Val Gly Arg Pro Glu Glu Leu Ala Ala Ala Val
210 215 220
Leu Phe Leu Ala Ser Asp Asp Ser Ser Tyr Val Ala Gly Ile Glu Leu
225 230 235 240
Phe Val Asp Gly Gly Leu Thr Gln Val
245
<210> 2
<211> 281
<212> PRT
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 2
Met Pro Lys Thr Ile Ala Thr Gly Leu Glu Ile Pro Gln Pro Arg Pro
1 5 10 15
Gln Leu Pro Ser His Val Met Asp Met Phe Ser Leu Arg Gly Lys Val
20 25 30
Ala Cys Ile Ser Gly Ala Ser Ser Gly Ile Gly Gly Ala Val Ala Val
35 40 45
Ala Tyr Ala Gln Ala Gly Ala Asp Ile Ala Val Trp Tyr Asn Ser His
50 55 60
Asp Gly Leu Ile Gln Thr Ala Arg Glu Leu Ala Glu Lys Tyr Gly Val
65 70 75 80
Arg Ala Lys Ala Tyr Lys Cys Ala Val Asn Asp Glu Glu Arg Val Gln
85 90 95
Ala Thr Ile Gln Gln Val Leu Ala Asp Phe Gly Gly Arg Ile Asp Val
100 105 110
Phe Val Ala Asn Ala Gly Val Ala Trp Glu Lys Gly Ala Leu Val Glu
115 120 125
Ala Gln Glu Gln Gly Thr Ala Ser Arg Glu Trp Asp Arg Val Leu Gln
130 135 140
Thr Asp Phe Gln Gly Val Tyr Tyr Cys Ser Lys Phe Ile Gly Ala Val
145 150 155 160
Phe Lys Lys Gln Gly Cys Gly Ser Leu Val Ile Thr Ala Ser Met Ser
165 170 175
Gly His Val Val Asn Val Pro Gln Leu Gln Thr Cys Tyr Asn Ala Ala
180 185 190
Lys Ala Gly Val Ile His Met Ala Arg Ser Leu Ala Val Glu Trp Ala
195 200 205
Gly Phe Ala Arg Val Asn Thr Val Ser Pro Gly Tyr Ile Ser Thr Pro
210 215 220
Ile Ser Glu Phe Ala Leu Asp Asp Val Lys Gln Lys Trp Leu Met Leu
225 230 235 240
Thr Pro Leu Gly Arg Glu Gly Leu Pro Glu Glu Leu Val Gly Ala Tyr
245 250 255
Leu Tyr Leu Gly Ser Asp Ala Ser Thr Phe Thr Thr Gly Thr Asp Ile
260 265 270
Val Val Asp Gly Gly Tyr Ser Ser Ile
275 280

Claims (8)

1.一种光-酶催化合成手性氟代苯乙醇的方法,其特征在于,包括以下步骤:
a)将苯乙烯或取代苯乙烯、氟试剂、光催化剂加入反应体系,在氙灯照射下进行第一步反应;
b)反应完成后,往a)的反应体系中加入产羰基还原酶的基因工程菌、D-葡萄糖,进行第二步催化反应;
c)反应完成后,以有机溶剂多次萃取,合并有机相,用无水硫酸钠干燥,过滤,回收溶剂得到目标粗产物;
d)将目标粗产物进行过柱纯化,得到目标产物。
2.根据权利要求1所述的光-酶催化合成手性氟代苯乙醇的方法,其特征在于,所述的取代苯乙烯选自3-氯苯乙烯、4-氯苯乙烯、4-氟苯乙烯、4-溴苯乙烯、4-甲氧基苯乙烯中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的光-酶催化合成手性氟代苯乙醇的方法,其特征在于,所述的氟试剂为1-氯甲基-4-氟-1,4-重氮化二环2.2.2辛烷双(四氟硼酸盐)。
4.根据权利要求1所述的光-酶催化合成手性氟代苯乙醇的方法,其特征在于,所述的光催化剂选自Riboflavin tetrabutyrate、Eosin Y、fac-Tris(2-phenylpyridine)iridium[Ir(ppy)3]、Tris(2,2-bipyridyl)ruthenium(II)chloride hexahydrate、Sodiumanthraquinone-2-sulfonate、Riboflavin中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的光-酶催化合成手性氟代苯乙醇的方法,其特征在于,所述的光催化剂为Sodium anthraquinone-2-sulfonate。
6.根据权利要求1所述的光-酶催化合成手性氟代苯乙醇的方法,其特征在于,所述的苯乙烯或取代苯乙烯的浓度为250mmol/L;所述的氟试剂的浓度为220mmol/L;所述的光催化剂的浓度为66mmol/L;所述的苯乙烯或取代苯乙烯、氟试剂、光催化剂的体积比为4:5:3。
7.根据权利要求1所述的光-酶催化合成手性氟代苯乙醇的方法,其特征在于,所述的羰基还原酶为KtCR或RasADH,所述的KtCR的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示;所述的RasADH的氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。
8.根据权利要求1所述的光-酶催化合成手性氟代苯乙醇的方法,其特征在于,所述的产羰基还原酶的基因工程菌的菌液与a)反应体系的体积比为(5~20):1。
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