CN117222616A - 用于纯化有机胺的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于纯化有机胺的方法。该方法包括(a)将有机胺提供到第一容器(5)中,该有机胺在1巴下具有标准沸点;(b)用惰性气体填充第一容器(5);(c)将第一容器(5)中的有机胺加热至亚沸腾温度,其中亚沸腾温度比标准沸点低至少15℃;(d)在第二容器(20)中冷却来自第一容器(5)的蒸气以提供液体;以及(e)使所述有机胺与树脂聚合物基体接触,其中所述树脂聚合物基体嵌入有氨基化合物,所述氨基化合物选自亚氨基二乙酸、氨基甲基膦酸或它们的组合。

Description

用于纯化有机胺的方法
技术领域
本发明涉及通过去除金属污染物和其它杂质来纯化有机胺的方法。
背景技术
有机胺是金属离子的良好配体,因此金属杂质是生产有机胺时的常见问题。对于电子应用,金属和其它污染物可能是电子设备故障的主要根本原因。加工化学品必须含有极低浓度的杂质诸如金属。根据现有技术和工业经验,单个或多个纯化过程对于纯化化学品以实现电子级标准是必要的。相关设施的配置是复杂的并且不是使用友好的。本发明要求保护一种易于实施并且能够制造纯有机胺的纯化方法。
希望有一种纯化方法,其易于实施并且有利于制造高纯度的有机胺。
发明内容
本发明涉及用于纯化有机胺的方法。在各种实施方案中,本发明可将有机胺纯化至非常低水平的金属离子和其它污染物。在一些实施方案中,本发明有利地提供了比现有方法更容易实施的用于纯化有机胺的方法。
在一个实施方案中,用于纯化有机胺的方法包括(a)将有机胺提供到第一容器中,所述有机胺在1巴下具有标准沸点;(b)用惰性气体填充所述第一容器;(c)将所述第一容器中的所述有机胺加热至亚沸腾温度,其中所述亚沸腾温度比所述标准沸点低至少15℃;(d)在第二容器中冷却来自所述第一容器的蒸气以提供液体;以及(e)使所述有机胺与树脂聚合物基体接触,其中所述树脂聚合物基体嵌入有氨基化合物,所述氨基化合物选自亚氨基二乙酸、氨基甲基膦酸或它们的组合。
在下面的具体实施方式中更详细地描述了本发明的各种实施方案。
附图说明
图1是说明根据本发明的一个实施方案的用于纯化有机胺的方法的流程图。
具体实施方式
如贯穿本说明书所用,除非上下文清楚地另有指示,否则下文给出的缩略词具有以下含义:BV/hr=床体积/小时,μm=微米,nm=纳米,g=克;mg=毫克;L=升;mL=毫升;ppm=百万分之一;ppb=十亿分之一;ppt=万亿分之一;m=米;mm=毫米;cm=厘米;min=分钟;s=秒;hr=小时;℃=摄氏度;%=百分比,vol%=体积百分比;并且wt%=重量百分比。
一般而言,本发明涉及用于纯化有机胺的方法。可通过使用这些方法来纯化的有机胺包括但不限于高度浓缩的(具有少于1重量%的水,优选地少于0.1%)N-甲基乙醇胺或类似化学结构,诸如单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、异丙醇胺、二异丙醇胺、三异丙醇胺、N-甲基二乙醇胺、氨基乙烯乙醇胺等。也可将这些接近纯的胺混合在一起。在一些实施方案中,待纯化的有机胺的粘度在10cP至100cP的范围内(如通过ASTM D7042所测量的),其中0.1mol/L水性溶液的pH值在10至13的范围内(如通过ASTM E70所测量的)。在表征用于本发明方法中的有机胺中重要的性质是标准沸点。如本文所用,所述“标准沸点”是在1巴下测量的有机胺的沸点。
在一个方面,用于纯化有机胺的方法(如本文所述)包括:(a)将有机胺提供到第一容器中,所述有机胺在1巴下具有标准沸点;(b)用惰性气体填充所述第一容器;(c)将所述第一容器中的所述有机胺加热至亚沸腾温度,其中所述亚沸腾温度比所述标准沸点低至少15℃;(d)在第二容器中冷却来自所述第一容器的蒸气以提供液体;以及(e)使所述有机胺与树脂聚合物基体接触,其中所述树脂聚合物基体嵌入有氨基化合物,所述氨基化合物选自亚氨基二乙酸、氨基甲基膦酸或它们的组合。在一些实施方案中,步骤(c)和(d)在步骤(e)之前进行,其中步骤(e)中的有机胺是来自步骤(d)的液体。换句话说,在这样的实施方案中,在与树脂聚合物基体接触之前进行亚沸腾分离。在其它实施方案中,步骤(e)在步骤(a)-(d)之前进行,其中在接触树脂聚合物基体之后将有机胺提供到步骤(a)中的第一容器中。换句话说,在这样的实施方案中,与树脂聚合物基体的接触发生在亚沸腾分离之前。
在一些实施方案中,在方法步骤完成之后,有机胺中的Na、K、Ca、Al、Fe、Ni、Zn、Cu、Cr和Sn的浓度各自为10ppb或更低。在一些实施方案中,在进入本发明的方法之前,有机胺中的总金属含量(Na、K、Ca、Al、Fe、Ni、Zn、Cu、Cr和Sn)为至多5ppm。在一些实施方案中,在方法步骤完成之后,有机胺中的总金属含量(Na、K、Ca、Al、Fe、Ni、Zn、Cu、Cr和Sn)为20ppb或更低。
在一些实施方案中,第一容器中的水含量和氧含量各自小于20ppm。
在一些实施方案中,树脂聚合物基体包括聚丙烯酸酯或聚苯乙烯-二乙烯基苯。在一些实施方案中,树脂聚合物基体的孔径在1nm至2000nm的范围内,如由通过气体吸附得到的固体的比表面积所测定的。在一些实施方案中,将所述树脂聚合物基体作为树脂珠粒引入含有机胺的液体中,并且所述珠粒的粒径在100μm至2000μm的尺寸范围内。
本发明的方法包括亚沸腾步骤。所述亚沸腾步骤包括将所述有机胺加热至比所述有机胺的标准沸点低至少15℃的温度。在亚沸腾步骤中用于有机胺的最低温度将取决于该有机胺的标准沸点和熔点(例如,亚沸腾温度显然会需要高于液体有机胺可结晶的温度)。在一些实施方案中,如果该有机胺的标准沸点为至少200℃,则最低亚沸腾温度比标准沸点低160℃。在一些实施方案中,如果该有机胺的标准沸点在150℃和200℃之间,则最低亚沸腾温度比标准沸点低120℃。在一些实施方案中,如果该有机胺的标准沸点低于150℃,则最低亚沸腾温度大于25℃。在一些实施方案中,如果该有机胺的标准沸点为至少200℃,则最低亚沸腾温度比所述标准沸点低160℃;如果该有机胺的标准沸点在150℃和200℃之间,则最低亚沸腾温度比标准沸点低120℃;如果该有机胺的标准沸点低于150℃,则最低亚沸腾温度高于25℃。
转到亚沸腾步骤的一个实施方案,将有机胺提供到第一容器中。然后用惰性气体诸如氮气或氩气填充第一容器。惰性气体的纯度至少为99.999%。当惰性气体流入第一容器时,其应该通过气体过滤器以去除颗粒和灰尘,从而保持气体的纯度。此外,基于本文的教导,使用本领域普通技术人员已知的技术将水含量和氧含量控制至小于20ppm。然后将第一容器的内容物加热至不超过亚沸腾温度的温度,所述亚沸腾温度是比该有机胺的标准沸点低15℃。加热第一容器中的有机胺产生蒸气。蒸气通过管道或其它导管流出第一容器进入第二容器中。在第二容器中,使蒸气自然冷却并冷凝成液体。对于本文所考虑的有机胺,在一些实施方案中,第二容器中的液体温度应保持不高于20℃。因此,在一些实施方案中,亚沸腾程序包括(a)将有机胺提供到第一容器中;(b)用惰性气体填充所述第一容器;(C)将所述第一容器中的所述有机胺加热至亚沸腾温度,其中所述亚沸腾温度比所述有机胺的标准沸点低至少15℃;以及(d)在第二容器中冷却来自第一容器的蒸气以提供液体。
如果该有机胺在亚沸腾之前没有与树脂聚合物基体接触,则可以收集纯化的有机胺以供使用。如果有机胺没有通过树脂聚合物基体,则在亚沸腾步骤中来自第二容器的有机胺可以进行至如本文进一步描述的树脂聚合物基体程序。
使有机胺与树脂聚合物基体接触需要使用以亚氨基二乙酸或氨基甲基膦酸(或两者)为特征的离子交换树脂。亚氨基二乙酸HN(CH2CO2H)2通常缩写为IDA,是一种二羧酸胺。亚氨基二乙酸根阴离子可以充当三齿配体以与金属离子形成络合物。氨基甲基膦酸CH6NO3P缩写为(AMPA),是一种具有膦酸基团的弱有机酸,其能够主要通过膦酸基团的氧原子结合不同的金属离子。
在一个优选的实施方案中,离子交换树脂可被描述为由聚丙烯酸酯或聚苯乙烯-二乙烯基苯(或两者的混合物)构成的聚合物基体。IDA和/或AMPA嵌入在该聚合物基体内、嵌入在整个该聚合物基体中和/或嵌入在该聚合物基体上。可在聚合物树脂的形成期间引入IDA和/或AMPA,并且可将该树脂形成为珠粒,从而使得AMPA或IDA嵌入在树脂珠粒内部和表面上。也可在形成树脂基体后的后续步骤中施加AMPA或IDA,从而仅产生表面涂层。在一个优选的实施方案中,树脂中AMPA或IDA的浓度在20重量%至70重量%,并且更优选地在40重量%至60重量%的范围内。一般来讲,使用较高浓度的AMPA或IDA产生较高的金属去除率,但是如果浓度太高,则聚合物基体可能变得不稳定。
聚合物基体的孔径可变化,其中一个实施方案具有1nm至2000nm的优选范围。该孔径通过ISO 9277:2010测定,通过气体吸附测定固体的比表面积(BET法)。可将IDA/AMPA树脂聚合物基体形成为具有在100μm至2,000μm范围内的粒径分布的珠粒。可以将嵌入IDA和/或AMPA的树脂以100:0至0:100的比率相互混合。可通过使用具有不同孔径的几个网眼来逐步过滤均匀尺寸的树脂珠粒来获得一致的珠粒尺寸。
另外,也可以将阴离子交换树脂与嵌入IDA和/或AMPA的螯合离子交换树脂混合。两种这样的阴离子交换树脂是Amberlite IRA98(甲胺N,N,N-三甲基氢氧化物)和Amberjet9000OH(季铵)。引入阴离子交换树脂以释放羟基阴离子(OH-)。具有阴离子树脂的该步骤是任选的并且不会减少金属去除。有机胺中的一些金属以络合物形式存在并且需要具有更强络合强度的螯合树脂。附加的阴离子树脂可能不会直接捕获络合金属,但是它们可充当解络合剂。本领域已知的这种解络合的机制释放OH-以形成金属氢氧化物,该金属氢氧化物可以更容易被螯合树脂捕获。
当纯化有机胺时,本发明公开的过程的特征可在于使用至少一个离子交换柱,该离子交换柱填充有含亚氨基二乙酸的树脂或嵌入氨基甲基膦酸的树脂珠粒。该柱可成直线或平行地流体连接到填充有另一种材料(即,分别为嵌入氨基甲基膦酸的树脂或含亚氨基二乙酸的树脂)的另一个离子交换柱。在一个实施方案中,使含有机胺的液体以每小时1至30床体积(BV)的流速通过这些柱。当串联在一起使用时,可以将这些柱中的任一个放置在另一个的上游。另外,其他柱可装载有阴离子交换树脂并连接在IDA和/或AMPA离子交换柱的上游或下游,从而使含有机胺的液体通过该系列柱并产生极纯的有机胺。如本文所用,“BV”是指床体积,并且是指与相同量的水合湿式离子交换树脂混合床接触的液体的量。例如,如果使用120mL的水合湿式离子交换树脂混合床,那么1BV是指使120mL的有机胺与离子交换树脂混合床接触。“BV/hr”由流速(mL/小时)除以床体积(mL)来计算。
在另一个实施方案中,也可使用离子交换树脂与有机胺液体的简单混合来纯化有机胺。一旦混合,就使树脂与有机胺反应并从它们中去除金属。然后,则过滤液体以将纯化的有机胺与液体中的其他组分分离。
一般而言,在使有机胺与树脂聚合物基体接触的步骤期间,该方法的温度可包括例如在一个实施方案中0℃至100℃,在另一个实施方案中10℃至60℃,并且在又一个实施方案中20℃至40℃。如果温度高于100℃,则树脂将被破坏;并且如果温度低于该有机胺的凝固点,则待处理的有机胺可能不流动。
图1示出了一种根据本发明的一个实施方案的用于纯化有机胺的方法。在图1中所示的实施方案中,该方法包括亚沸腾步骤,随后是离子交换步骤(与树脂聚合物基体接触)。如上所述,在其它实施方案中,可以首先进行离子交换步骤(与树脂聚合物基体接触),随后进行亚沸腾步骤。转到图1中所示的实施方案的操作,将有机胺在材料入口10处装入亚沸腾容器5中。然后用惰性气体诸如氮气和/或氩气填充亚沸腾容器5。在一些实施方案中,惰性气体的纯度为至少99.999%。为了去除颗粒和灰尘并保持惰性气体清洁,惰性气体通过气体过滤器15。控制容器内的水含量和氧含量以使其各自小于20ppm。将亚沸腾容器5中的有机胺加热至有机胺的亚沸腾温度,其中该亚沸腾温度比有机胺的标准沸点低至少15℃。在一些实施方案中,如果该有机胺的标准沸点为至少200℃,则最低亚沸腾温度比所述标准沸点低160℃;如果该有机胺的标准沸点在150℃和200℃之间,则最低亚沸腾温度比标准沸点低120℃;如果该有机胺的标准沸点低于150℃,则最低亚沸腾温度高于25℃。在一些实施方案中,亚沸腾容器5中的压力可以在真空下或在环境压力下。在一些实施方案中,例如由于气体入口压力,该压力可高于环境压力。亚沸腾容器包括用于防止压力积聚(例如,为了安全)的压力释放阀,其中气体过滤器用于在从亚沸腾容器5释放压力(气体)时防止颗粒进入空气。加热亚沸腾容器中的有机胺产生蒸气,该蒸气然后流入冷却容器20中。在冷却容器20中,蒸气在自然冷却后冷凝成液体。在一些实施方案中,将冷却容器中的温度保持低于60℃。可将有机胺从冷却容器20泵送通过离子交换柱25以进一步降低金属含量。该离子交换柱装载有嵌入有氨基化合物的树脂聚合物基体,所述氨基化合物选自如上所述的亚氨基二乙酸、氨基甲基膦酸或它们的组合。在一些实施方案中,有机胺通过离子交换柱的流速不超过50床体积/小时。在离开离子交换柱25时,纯化的有机胺可以储存在储罐30中。
在一些实施方案中,包括亚沸腾容器5、冷却容器20、离子交换柱25、储罐30和所有连接管线的整个系统由电镀的SAE 316L级不锈钢制成,或由超纯全氟烷氧基烷烃(PFA)或聚四氟乙烯(PTFE)聚合物制成。任选地,在一些实施方案中,这样的结构材料可以是耐热材料,其可以承受超过250℃的温度,其中内表面涂覆有涂层厚度为至少2mm的超纯PFA或PTFE。
在一个一般实施方案中,当进料溶剂含有典型金属水平时,在上述方法(亚沸腾和离子交换)之后,有机胺的目标金属水平小于20ppb(十亿分之一)。所获得的有机胺包含非常低水平的金属离子污染物和非金属离子污染物。金属污染物可以包括例如Na、K、Ca、Al、Fe、Ni、Zn、Cu、Cr和Sn。这些金属污染物中每一种的浓度在各种实施方案中可以是10ppb或更低,并且在其它实施方案中可以是5ppb或更低。因此,使用本发明的方法获得的有机胺可用于需要超纯产物的应用中,诸如用于制造药物和电子材料,并且尤其用于例如半导体制造工艺中。高金属去除率是获得超纯产物所必需的。在一些实施方案中,本发明的方法有利地从进料到该方法的有机胺醚中提供了以上列出的金属的总和的超过80%的金属去除效率。在一些实施方案中,本发明的方法有利地从进料到该方法的有机胺中提供了以上列出的金属的总和的超过90%的金属去除效率。在一些实施方案中,本发明的方法有利地从进料到该方法的有机胺中提供了以上列出的金属的总和的超过95%的金属去除效率。
还期望该有机胺在经历根据本发明的一些实施方案的方法后的纯度变化尽可能低,如通过常规方法(诸如通过GC-FID)所测量的。例如,在一些实施方案中,有机胺的纯度变化为零百分比(%)或处于低于检测仪器的检测限的水平(例如,接近零%,诸如0.0001%,这取决于GC检测器的选择、色谱柱的选择以及其他测量条件的选择)。在其他实施方案中,有机胺在离子交换处理后的纯度变化例如在一个实施方案中小于0.05%;并且在另一个实施方案中小于0.01%。
实施例
在以下实施例中详细地描述本发明的一些实施方案。然后,提供以下实施例以进一步详细地说明本发明,但不应解释为限制权利要求书的范围。除非另有指示,否则所有份数和百分比都按重量计。
本发明实施例(“IE”)和比较例(“CE”)中使用的各种术语和名称解释如下:
“DVB”代表二乙烯基苯。
“BV/hr”代表床体积/小时。
实施例中使用的各种原材料或成分解释如下:
N-甲基乙醇胺(NMEA),可从陶氏化学公司商购(The Dow Chemical Company)获得。
N-甲基二乙醇胺(MDEA),可从陶氏化学公司商购获得。
PUROMET MTS9300H是亚氨基二乙酸螯合树脂,可从漂莱特公司(Purolite)商购获得。PUROMET MTS9500H是氨基甲基膦酸螯合树脂,可从漂莱特公司商购获得。关于这些离子交换树脂的其它细节提供于表1中:
表1
PUROMET MTS9300H PUROMET MTS9500H
类型 弱酸阳离子 弱碱阴离子
形式 宏观网状 宏观网状
基体 苯乙烯-DVB 苯乙烯-DVB
官能团 亚氨基二乙酸 氨基甲基膦酸
离子型 N(CH2COO-H+)2 NH+CH2P(OO-H+)OH-
持水量 52-60% 60-68%
粒度 425μm至1000μm 300μm至1200μm
对于本发明的实施例,首先进行亚沸腾步骤。包括亚沸腾容器、冷却容器、离子交换柱、瓶和连接管线的整个系统全部由全氟烷氧基烷烃(PFA)材料制成。
用于亚沸腾的容器具有4升的体积。将加热碗放置在亚沸腾容器下方以加热容器中的材料。将具有加热碗的亚沸腾容器放置在填充有超纯氩气(测定99.999%)的手套箱中以将氧气和水分控制至<5ppm。颗粒控制在100级洁净室水平。压力为约1.5bar。
本发明实施例1-3(IE1-IE3)和比较例1-3(CE1-CE3)
在本发明实施例1-3和比较例1-3中评价NMEA。NMEA的标准沸点为156℃,并且其纯度超过99.0%。比较例1是没有进行过亚沸腾或离子交换的NMEA。
对于本发明的实施例,将3升NMEA加入到亚沸腾容器中。将NMEA加热至70-90℃的亚沸腾温度。加热的结果是,蒸气在亚沸腾容器中形成,并从亚沸腾容器的顶部流出到温度保持在20℃或更低的4升冷却容器中。在冷却容器中,蒸气冷凝成液体。对于本发明实施例1-3,收集来自冷却容器的样品并测试纯度、金属含量和水含量。根据ASTM E203使用KarlFischer滴定测量水含量。溶剂样品中金属的浓度通过常规设备,诸如购自安捷伦科技公司(Agilent Technology)的ICP-MS(电感耦合等离子体-质谱)仪器分析;并且分析结果描述于下文的表中。原始金属水平(浓度)和金属元素比率因进料溶剂批次而异。通过GC(气相色谱)测量纯度。用主要组分的峰面积(100%减去包括水在内的所有杂质的总和)除以所有峰面积的总和来计算纯度。
使本发明实施例3如下通过离子交换柱。离子交换柱具有100毫升的体积。将10毫升的表1中所示的离子交换树脂装入离子交换柱中,每种树脂使用50%。对于本发明实施例3,亚沸腾有机胺的流速为6床体积/小时。比较例2是NMEA,但与比较例1的NMEA批次不同。比较例3是与本发明实施例3同样通过离子交换柱的比较例2,但是比较例3没有经历亚沸腾步骤。在通过离子交换柱之后,将有机胺收集在样品瓶中,并且如上所述测量纯度、水含量和金属含量。
将纯度、水含量和金属含量测量结果示于表2中:
表2
如表2所示,本发明实施例比没有亚沸腾步骤的比较例含有少得多的金属。本发明实施例中大部分金属的去除率超过80%。然而,本发明实施例1-2的Ca和Ni去除速率低于其它金属的去除速率。然而,在本发明实施例3中添加离子交换步骤显著提高了Ca和Ni去除速率。
本发明实施例4(IE4)和比较例4(CE4)
在本发明实施例4和比较例4中评价MDEA。DMEA的标准沸点为243℃,其纯度超过99.0%。比较例1是没有进行过亚沸腾或离子交换的DMEA。
对于本发明实施例4,将3升DMEA加入到亚沸腾容器中。将DMEA加热至90℃的亚沸腾温度。加热的结果是,蒸气在亚沸腾容器中形成,并从亚沸腾容器的顶部流出到温度保持在20℃或更低的4升冷却容器中。在冷却容器中,蒸气冷凝成液体。对于本发明实施例4,收集来自冷却容器的样品并使用上述技术测试金属含量。
金属含量测量结果示于表3中:
表3
如表3所示,亚沸腾步骤从DMEA中去除了超过96%的金属含量。

Claims (10)

1.一种用于纯化有机胺的方法,所述方法包括:
(a)将有机胺提供到第一容器中,所述有机胺在1巴下具有标准沸点;
(b)用惰性气体填充所述第一容器;
(c)将所述第一容器中的所述有机胺加热至亚沸腾温度,其中所述亚沸腾温度比所述标准沸点低至少15℃;
(d)在第二容器中冷却来自所述第一容器的蒸气以提供液体;以及
(e)使所述有机胺与树脂聚合物基体接触,其中所述树脂聚合物基体嵌入有氨基化合物,所述氨基化合物选自亚氨基二乙酸、氨基甲基膦酸或它们的组合。
2.根据权利要求1所述的方法,其中步骤(c)和(d)在步骤(e)之前进行,并且其中步骤(e)中的所述有机胺处于来自步骤(d)的所述液体中。
3.根据权利要求1所述的方法,其中步骤(e)在步骤(a)-(d)之前进行,并且其中在接触所述树脂聚合物基体之后,将所述有机胺提供到步骤(a)中的所述第一容器中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中如果所述有机胺的所述标准沸点为至少200℃,则最低亚沸腾温度比所述标准沸点低160℃,其中如果所述有机胺的所述标准沸点在150℃和200℃之间,则最低亚沸腾温度比所述标准沸点低120℃,并且其中如果所述有机胺的所述标准沸点低于150℃,则最低亚沸腾温度大于25℃。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中在所述方法步骤完成之后,所述有机胺中的Na、K、Ca、Al、Fe、Ni、Zn、Cu、Cr和Sn的浓度各自为10ppb或更低。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述第一容器中的水含量和氧含量各自小于20ppm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述树脂聚合物基体包括聚丙烯酸酯或聚苯乙烯-二乙烯基苯。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述树脂聚合物基体的孔径在1nm至2,000nm的范围内,如由通过气体吸附得到的固体的比表面积所测定的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中将所述树脂聚合物基体作为树脂珠粒引入含所述有机胺的液体中,所述珠粒的粒径在100μm至2000μm的尺寸范围内。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述有机胺包括高度浓缩的单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、异丙醇胺、二异丙醇胺、三异丙醇胺、二甲基乙醇胺、N-甲基二乙醇胺或氨基乙烯乙醇胺。
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