CN1746156A - 双官能度引发剂2,5-mono的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双官能度引发剂2,5-二甲基-2-过氧化羟基-5-过氧化叔丁基己烷(2,5-MONO)的合成方法,是使用88~98%的浓硫酸作为催化剂,用质量浓度为30~50%的双氧水和2,5-DIOL先在0℃~5℃反应,然后升温至25℃~30℃继续反应得到产物DIOOH;然后降温至0~6℃以下,向体系中加入叔丁醇,然后再向体系中滴加78%的浓硫酸,升温至45℃,室温下静置取得上层油状液体即为所要产物。本发明合成方法安全性好、工序简单、并可以提高产率。
Description
技术领域
本发明属于化学合成领域,具体涉及一种在制备超高分子量的聚丙烯酰胺(PAM)中使用的引发剂2,5-二甲基-2-过氧化羟基-5-过氧化叔丁基己烷(简称2,5-MONO)的合成方法。
背景技术
2,5-二甲基-2-过氧化羟基-5-过氧化叔丁基己烷(以下简称2,5-MONO)是一种工业上非常重要的过氧化物,在制备超高分子量的聚丙烯酰胺(PAM)中,其作为引发剂。
根据分子设计,一般采用2,5-二甲基-2,5-己二醇(以下简称DIOL或二醇或双醇)为原料经过氧化氢氧化后再与醇反应得到。2,5-二甲基-2,5-己二醇(2,5-DIOL)分子中的两个羟基分别处在两个三级碳上,不易被氧化。合成工艺包括两步:第一步,2,5-DIOL在酸的催化作用下,被过氧化氢氧化后形成氢过氧化物,即2,5-二甲基-2,5-二过氧化羟基己烷(2,5-DIOOH);第二步,2,5-DIOOH过氧键上的氢在浓硫酸作用下可与醇发生反应,生成其衍生物2,5-MONO。两步的化学反应式如下:
在上述合成过程中,2,5-DIOL分子中的两个羟基分处在两个叔碳上,不易被氧化,当使用过氧化氢作为氧化剂时,只有在催化剂的催化作用下才能发挥作用,首先形成氢过氧化物2,5-DIOOH。传统的合成工艺(参见美国专利521320)中,第一步是用高浓度60~70%的H2O2进行氧化,以78%的硫酸作为催化剂,其主要问题是反应过程剧烈,安全性差,中间产物为2,5-DIOOH为浆状,需要进一步处理;并且所用原料60~70%H2O2需要专门制备,费时费力,工艺繁杂。第二步是用叔丁醇和硫酸混合后再与第一步产物2,5-DIOOH进行反应,该过程中主要问题是得到的2,5-DIOOH需要用水洗涤才可以得到沉淀用于下一步反应,多出一道工序;同时,叔丁醇和硫酸也需先行混合才可使用,步骤较多,工艺复杂,副产物多,产率受到影响。
发明创造内容
本发明的目的是提供一种氧化反应温和、安全性好,烷基化步骤简捷且产率较高的合成双官能度引发剂2,5-MONO的方法。
本发明提供一种双官能度引发剂2,5-二甲基-2-过氧化羟基-5-过氧化叔丁基己烷(2,5-MONO)的合成方法,其包含以下步骤:
步骤一:2,5-二甲基-2,5-二过氧化羟基己烷的合成
(1)、将质量浓度为30~50%的双氧水加入到四口烧瓶中,将温度降至0℃~6℃;
(2)、向降温后的的双氧水中滴加入88~98%的浓硫酸;温度维持在10℃以下,然后将体系降温至0℃~6℃;
(3)、在0℃~5℃下将2,5-DIOL滴加入到(2)的体系中,进行第一阶段低温反应,反应时间为30~60分钟;其中2,5-DIOL∶硫酸∶过氧化氢的摩尔比为1∶2~6∶5~7;
(4)、将(3)的体系升至25℃~35℃并恒定30~90分钟,进行第二阶段高温反应得到白色固体;
步骤二:2,5-二甲基-2-过氧化羟基-5-过氧化叔丁基己烷(2,5-MONO)的合成
(5)将体系温度降至0~6℃以下,向体系中加入叔丁醇,然后再向体系中滴加78%的浓硫酸;
(6)继续将体系升温至45℃,待所有固体消失后,室温下溶液静置2~4小时,溶液分层;
(7)小心排出下层,上层油状液体即为所要产物。
上述合成方法,步骤一中所述双氧水浓度为30%,硫酸浓度为98%,2,5-DIOL∶过氧化氢∶硫酸的摩尔比为1∶4~6∶5~7,优选1∶6∶7,低温反应温度为2℃,低温反应时间为45分钟,高温反应温度为35℃,高温反应时间为60分钟;步骤二中加入的硫酸和叔丁醇用量为硫酸∶叔丁醇∶2,5-DIOL摩尔比为0~4∶4∶1,优选4∶4∶1。
上述合成方法,步骤一中所述双氧水浓度为50%,硫酸浓度为98%,2,5-DIOL∶硫酸∶过氧化氢的摩尔比为1∶2~4∶6,优选1∶3∶6,低温反应温度为2℃,低温反应时间为60分钟,高温反应温度为30℃,高温反应时间为60分钟;步骤二中加入的硫酸和叔丁醇用量为硫酸∶叔丁醇∶2,5-DIOL摩尔比为0~4∶4∶1,优选4∶4∶1。
上述合成方法,步骤一中所述双氧水浓度为40%,硫酸浓度为98%,2,5-DIOL∶硫酸∶过氧化氢的摩尔比为1∶3∶6,低温反应温度为2℃,低温反应时间为45分钟,高温反应温度为25℃,高温反应时间为60分钟;步骤二中加入的硫酸和叔丁醇用量为硫酸∶叔丁醇∶2,5-DIOL摩尔比为4∶4∶1。
上述合成方法,步骤一所述双氧水浓度为50%,硫酸浓度为88%,2,5-DIOL∶硫酸∶过氧化氢的摩尔比为1∶2~4∶6,优选1∶3∶6,低温反应温度为2℃,低温反应时间为45分钟,高温反应温度为25℃,高温反应时间为60分钟;步骤二中加入的硫酸和叔丁醇用量为硫酸∶叔丁醇∶2,5-DIOL摩尔比为0~4∶4∶1,优选4∶4∶1。
上述合成方法中,所述步骤(1)、(2)、和(3)中体系温度为2℃。
采用以上技术方案,本发明第一步氧化反应中以较低浓度(30~50%)的过氧化氢代替高浓度过氧化氢,同时选择使用高浓度(88~98%)的硫酸作为催化剂来代替较低浓度(78%)的硫酸,使得DIOL的氧化反应可以在比较温和的条件下进行,在达到较好氧化效果的同时使反应安全性好,并且直接得到DIOOH沉淀,无需水洗工序;第二步本发明可以直接在第一步反应体系中继续反应,通过直接依次加入叔丁醇和硫酸反应即可得到目的产物2,5-MONO,节省了DIOOH水洗、转移、再溶解的工序以及叔丁醇和硫酸的预混合工序。因此,本发明合成方法安全性好、工序简单、并可以提高产率。
具体实施方式
本发明所用实验原料如下所示:
30%过氧化氢 分析纯 哈尔滨市新达化工厂
98%浓硫酸 分析纯 齐齐哈尔市化学试剂厂
78%浓硫酸 分析纯 齐齐哈尔市化学试剂厂
2,5-二甲基-2,5-己二醇 分析纯 成都惟精喜望精细化工有限公司
叔丁醇 分析纯 沈阳市东兴试剂厂
实验仪器:四口烧瓶(C63型玻璃有机合成仪);低温浴槽,控温T:0~50℃;搅拌器:6511型,上海标本模型制造厂;分液漏斗。
本发明合成2,5-MONO包括以下步骤:
(1)将确定浓度(30~50%)的H2O2加入到四口烧瓶中,将温度降至0℃左右;
(2)向降温后的的H2O2中滴加入88~98%的浓硫酸;温度维持在10℃以下,然后将体系降温至6℃以下;
(3)将2,5-DIOL加入到(2)体系中,在低温0~6℃下进行反应,固体2,5-DIOL逐渐溶解,低温0~6℃下反应30~60分钟(第一阶段反应,低温反应);
(4)将体系升至25℃~35℃并恒定30~90分钟,升温过程中出现大量白色固体即为DIOOH(第二阶段反应,高温反应);
(5)将体系温度降至6℃以下,向体系中加入叔丁醇,然后再向体系中滴加78%的浓硫酸;
(6)继续将体系升温至45℃,待所有固体消失后,溶液静置分层;
(7)小心排出下层,上层油状液体即为产物2,5-MONO。
一、合成DIOOH沉淀条件的正交实验
本发明在该实验中采用低浓度30%的双氧水作为氧化剂,催化剂为98%的硫酸。采用正交设计,确定了如表1所示的七个影响因素三水平的正交设计实验方案,按上述步骤(1)至(4)进行实验操作,考察各因素对合成DIOOH反应产率的影响。正交实验结果见表2。
表1合成DIOOH正交设计实验因素和水平
水平 | n(H2O2)∶n(醇)A | n(催化剂)∶n(醇)B | 第一阶段反应时间/minC | 第一阶段反应温度/℃D | 第二阶段反应时间/minE | 第二阶段反应温度/℃F | n(H2O2)∶n(醇)(补加)G |
123 | 5∶16∶17∶1 | 4∶15∶16∶1 | 153045 | 2610 | 306090 | 303525 | 00.51 |
表2合成DIOOH正交实验结果
1718R1R2R3极差最优组合 | 7∶17∶162.062.264.32.3A1 | 5∶16∶161.162.465.03.9B3 | 153061.963.263.41.5C1 | 10263.862.562.21.6D1 | 306061.865.061.73.3E2 | 352562.862.363.41.1F3 | 1062.863.062.60.4G2 | 60.970.8 |
由表2中的极差数据可知:
①从极差反映出各因素对DIOOH产率影响顺序依次为:催化剂与二醇的摩尔比>高温反应时间>过氧化氢与二醇的摩尔比>低温反应温度>低温反应时间>高温反应温度>补加的过氧化氢与二醇的摩尔比。
②催化剂与二醇的摩尔比、过氧化氢与二醇的摩尔比、高温反应时间这三个因素对DIOOH产率的影响较大,产率随催化剂及过氧化氢与二醇的摩尔比的增加而增大,高温反应时间为60min时产率较高。
③反应条件的较佳组合是A3B3C3D1E2F3G2。即催化剂与二醇的摩尔比为6∶1,高温反应时间为60min,过氧化氢与二醇的摩尔比为7∶1,低温反应温度为2℃,低温反应时间为45min,高温反应温度25℃,补加的过氧化氢与二醇的摩尔比为0.5。
④补加的过氧化氢与二醇的摩尔比对产率的影响最小,极差只有0.4,说明即使不再补加H2O2,由于过氧化氢用量为二醇的五倍以上,已足够使二醇过氧化,为简化合成条件、节约H2O2,本发明较好实施例中均不补加过氧化氢。
二、采用不同浓度的双氧水合成DIOOH实验
该实验中使用浓度为98%的硫酸,双氧水∶双醇=6∶1(摩尔比),硫酸∶双醇=3∶1(摩尔比),按上述步骤(1)至(4)进行实验操作,考察使用不同浓度的双氧水对DIOOH产率的影响。结果见表3。
表3
双氧水浓度% | 55① | 50 | 40 | 30 | 20② | 10 |
产率% | 66.9 | 72.4 | 63.0 | 51.9 | 36.4 | 0 |
备注 | ①该55%的双氧水是用50%的双氧水减压干燥浓缩的。②使用20%的双氧水,产品形态不好,难于过滤。 |
该表数据显示,使用20%的双氧水,可获得DIOOH产品,但DIOOH产率较低;使用10%的双氧水(双氧水∶硫酸∶双醇=6∶14∶1mol比),反应完成后,在反应烧瓶内只有少许油状液体,未获得颗粒状DIOOH。30%至55%的双氧水,在硫酸较少用量(3∶1)的情况下,仍可获得形态较好的DIOOH,产率超过50%。使用浓度为55%的双氧水仍需进行前处理,本发明不推荐使用。
三、采用不同浓度和用量的硫酸作催化剂合成DIOOH实验
该实验使用50%的双氧水,双氧水∶双醇=6∶1(摩尔比),称取50%的双氧水61.2克,99%双醇22.15克。按上述步骤(1)至(4)进行实验操作,考察使用不同浓度的硫酸和用量对DIOOH产率的影响。结果见表4-1和表4-2。
表4-1
表4-2(硫酸∶双醇=3∶1)
硫酸浓度% | 98 | 88 | 78 | 68 | 58 | 48 | 38 | 28 |
产率% | 72.1 | 71.7 | 62.2 | 58.3 | 55.1 | 40.6 | 35.2* | 0 |
备注 | 使用38%的硫酸时,反应结束后,反应烧瓶内只漂浮少量淡黄色液体,放置一夜后,才析出少量结晶。 |
该试验结果显示,当使用50%的双氧水时,使用38%的稀硫酸可获得少量DIOOH,使用28%的稀硫酸不能获得DIOOH;当98%的浓硫酸用量过大,如在整个体系中质量百分比浓度高于50%时,反应体系在升温过程中容易发生爆炸。
综合实验二和实验三的结果分析,可以看到在合成反应体系中,双氧水和硫酸在用量上和浓度上是互相影响的,两者在用量上存在一个平衡点,当两者用量相匹配时,体系的氧化性能最优。当产率较高时,原料之间的摩尔配比优化为是:50%的双氧水∶98%硫酸∶99%的2,5-二甲基-2,5-己二醇=6.4∶3∶1。该总体反应体系中,H2O2的质量百分比浓度约为30%,H2SO4的质量百分比浓度约为40%时较佳。
四、由DIOOH继续合成2,5-MONO的正交实验
本实验采用正交设计,在实验一、二、三得到的DIOOH体系的基础上,继续按上述步骤(5)至(7)进行实验操作,以2.5-MONO的产率作为试验标准(从2,5-DIOL开始计算产率)。该实验确定了3个因素与3个水平,即:
A:叔丁醇与2,5-DIOL的摩尔比A1=2∶1,A2=3∶1,A3=4∶1
B:浓硫酸与叔丁醇的摩尔比B1=0,B2=0.5∶1,B3=1∶1
C:单封反应时间(h)C1=2,C2=3,C3=4
正交实验结果数据见表5-1,数据分析见表5-2:
表5-1 正交实验数据
序号 | 因素 | 产率/% | ||
A | B | C | ||
1 | 2∶1 | 0 | 2 | 11.02 |
2 | 2∶1 | 0.5∶1 | 3 | 26.46 |
3 | 2∶1 | 1∶1 | 4 | 40.97 |
4 | 3∶1 | 0 | 3 | 47.36 |
5 | 3∶1 | 0.5∶1 | 4 | 65.83 |
6 | 3∶1 | 1∶1 | 2 | 50.42 |
7 | 4∶1 | 0 | 4 | 63.95 |
8 | 4∶1 | 0.5∶1 | 2 | 71.60 |
9 | 4∶1 | 1∶1 | 3 | 73.52 |
表5-2 正交实验结果分析
A | B | C | |
m1 | 0.2615 | 0.4078 | 0.4435 |
m2 | 0.5454 | 0.5553 | 0.4911 |
m3 | 0.6969 | 0.5497 | 0.5692 |
Rj | 0.4354 | 0.1475 | 0.1257 |
最优组合 | A3 | B2 | C3 |
其中,mi为(i=1、2、3)某个因素的某个水平所对应的实验数据之和的平均值;
Rj为极差,是某个因素的所有水平的实验数据之和的平均值中,最大值减去最小值。
由表5-2中Rj值的大小可知:各因素对2,5-MONO产率影响顺序依次为:叔丁醇与2,5-DIOL的摩尔比>浓硫酸与叔丁醇的摩尔比>浓硫酸与叔丁醇的摩尔比单封反应时间(h)。其中因素A的影响最大。
由表5-2中各因素的m1,m2,m3值可知:反应条件最佳组合是A3B2C3。即叔丁醇与2,5-DIOL的摩尔比为4∶1,单封反应时间4h,浓硫酸与叔丁醇的摩尔比为0.5∶1。
五、优化实施例
用以下操作:
(1)将30%的H2O2170克(1.5摩尔)加入到四口烧瓶中,将温度降至0℃左右;
(2)向降温后的的H2O2中滴加入98%的浓硫酸175克(1.75摩尔);温度维持在10℃以下,然后将体系降温至6℃以下;
(3)将2,5-DIOL36.6克(0.25摩尔)加入到(2)体系中,在低温6℃下进行反应,固体2,5-DIOL逐渐溶解,低温6℃下反应45分钟;
(4)将体系升至35℃并恒定60分钟,升温过程中出现大量白色固体即为DIOOH;
(5)将体系温度降至6℃以下,向体系中加入叔丁醇74克(1摩尔),然后再向体系中滴加78%的浓硫酸63.0克(0.5摩尔);
(6)继续将体系升温至45℃,待所有固体消失后,室温下溶液静置4小时,溶液分层;
(7)小心排出下层,上层油状液体即为产物2,5-MONO。
对得到的2,5-MONO称重得44.015克,计算得到该产物收率为75.24%。
六、大规模实验
①称取50%的双氧水380.0克(5.6摩尔),放入1000ml的四口烧瓶中,将四口烧瓶置于冷浴内,并将双氧水的温度降至约2℃;
②称取290克88%的硫酸(2.6摩尔),向双氧水中滴加,边滴加边低速搅拌,保持体系的温度不超过10℃;
③滴加完硫酸后,将体系的温度降至约2℃;
④称取128.0克2,5-二甲基-2,5-己二醇(0.8摩尔),加入上述H2O2-H2SO4低温体系中,约在30min内加完,加醇时保持体系的温度在5℃以下;
⑤在2~5℃反应1小时,然后将温度升至30℃,再反应1小时;
⑥将体系的温度降至5℃以下,向体系中加入叔丁醇236.8克(3.2摩尔),然后再向体系中滴加78%的浓硫酸201克(1.6摩尔);
⑦继续将体系升温至45℃,待所有固体消失后,室温下溶液静置4小时,溶液分层;
⑧小心排出下层,上层油状液体即为产物2,5-MONO。
对得到的2,5-MONO称重得140.85克,计算得到该产物收率为75.24%,纯度分析结果为99.4%。
七、产品分析
1、产品2,5-MONO纯度分析:
本发明通过测定产品中烷基过氧化物的活泼氧含量来确定产品2,5-MONO的纯度。具体方法为:
(1)将准确称量的样品(约0.1g)放入250ml锥形瓶中;
(2)加入25ml乙酸水溶液(重量比HAc∶H2O=5∶1)待样品溶解后再加入10ml水稀释;
(3)加入2g左右固体KI;10ml2mol/L的H2SO4;5滴钼酸铵溶液;
(4)在暗室内电磁搅拌1h;
(5)用0.1mol/L的Na2S2O3标准溶液滴定至浅淡黄色;
(6)向其中加入3~5滴淀粉溶液作指示剂,继续滴定至无色。其反应方程式为:
计算公式为:
双过氧化物%=VNa2S2O3*CNa2S2O3*MR(OOH)2/4000*W样品其中:
VNa2S2O3-消耗掉的Na2S2O3溶液体积
CNa2S2O3-Na2S2O3溶液浓度
MR(OOH)2-烷基过氧化氢的分子量
MR(OOR)2-烷基过氧化物的分子量
W样品-样品重量
2、产品2,5-MONO元素分析:
对优化实验和大规模实验得到的产品2,5-MONO进行元素分析,结果见表6,数值显示测定值与理论值相符。
表6 产品元素分析
实测值(%) | 计算值(%) | ||
优化产品 | 大规模产品 | ||
CH | 61.1511.10 | 61.0611.05 | 61.5111.18 |
3、产品2,5-MONO结构分析
2,5-MONO样品在电喷雾离子源(ESI)正模式检测的MS检出了M+H(235.3);M+Na(257.3)和M+K(267.4)峰,证明产物是2,5-MONO。
根据上述分析,表明制得的样品为目的产品2,5-二甲基-2-过氧化羟基-5-过氧化叔丁基己烷(2,5-MONO)。
本发明通过选择88~98%的浓硫酸作为催化剂,以30~50%的较低浓度和较少用量(过氧化氢与二醇摩尔比最高为7∶1)的双氧水氧化2,5-二甲基-2,5-己二醇,在温和条件下合成了2,5-二甲基-2,5-二过氧化羟基己烷,然后直接在该反应体系中加入叔丁醇和78%的硫酸合成2,5-二甲基-2-过氧化羟基-5-过氧化叔丁基己烷(2,5-MONO)。该工艺简单,再现性良好,催化剂原料来源广泛,产品纯度和收率高,易于工业化。
Claims (9)
1、一种双官能度引发剂2,5-MONO的合成方法,其包含以下步骤:
步骤一:2,5-二甲基-2,5-二过氧化羟基己烷即2,5-DIOOH的合成
(1)、将质量浓度为30~50%的双氧水加入到四口烧瓶中,将温度降至0℃~6℃;
(2)、向降温后的的双氧水中滴加入88~98%的浓硫酸;温度维持在10℃以下,然后将体系降温至0℃~6℃;
(3)、在0℃~5℃下将2,5-DIOL滴加入到(2)的体系中,进行第一阶段低温反应,反应时间为30~60分钟;其中2,5-DIOL∶硫酸∶过氧化氢的摩尔比为1∶2~6∶5~7;
(4)、将(3)的体系升至25℃~35℃并恒定30~90分钟,进行第二阶段高温反应得到白色固体;
步骤二:2,5-二甲基-2-过氧化羟基-5-过氧化叔丁基己烷即2,5-MONO的合成
(5)将体系温度降至0~6℃以下,向体系中加入叔丁醇,然后再向体系中滴加78%的浓硫酸;
(6)继续将体系升温至45℃,待所有固体消失后,室温下溶液静置2~4小时,溶液分层;
(7)小心排出下层,上层油状液体即为所要产物。
2、根据权利要求1所述的合成方法,其特征在于,步骤一中所述双氧水浓度为30%,硫酸浓度为98%,2,5-DIOL∶过氧化氢∶硫酸的摩尔比为1∶4~6∶5~7,低温反应温度为2℃,低温反应时间为45分钟,高温反应温度为35℃,高温反应时间为60分钟;步骤二中加入的硫酸和叔丁醇用量为硫酸∶叔丁醇∶2,5-DIOL摩尔比为0~4∶4∶1。
3、根据权利要求2的合成方法,其特征在于,所述2,5-DIOL∶过氧化氢∶硫酸的摩尔比为1∶6∶7;所述硫酸∶叔丁醇∶2,5-DIOL摩尔比为4∶4∶1。
4、根据权利要求1的合成方法,其特征在于,步骤一中所述双氧水浓度为50%,硫酸浓度为98%,2,5-DIOL∶硫酸∶过氧化氢的摩尔比为1∶2~4∶6,低温反应温度为2℃,低温反应时间为60分钟,高温反应温度为30℃,高温反应时间为60分钟;步骤二中加入的硫酸和叔丁醇用量为硫酸∶叔丁醇∶2,5-DIOL摩尔比为0~4∶4∶1。
5、根据权利要求2的合成方法,其特征在于,所述2,5-DIOL∶过氧化氢∶硫酸的摩尔比为1∶3∶6;所述硫酸∶叔丁醇∶2,5-DIOL摩尔比为4∶4∶1。
6、根据权利要求1所述的合成方法,其特征在于,步骤一中所述双氧水浓度为40%,硫酸浓度为98%,2,5-DIOL∶硫酸∶过氧化氢的摩尔比为1∶3∶6,低温反应温度为2℃,低温反应时间为45分钟,高温反应温度为25℃,高温反应时间为60分钟;步骤二中加入的硫酸和叔丁醇用量为硫酸∶叔丁醇∶2,5-DIOL摩尔比为4∶4∶1。
7、根据权利要求1所述的合成方法,其特征在于,步骤一所述双氧水浓度为50%,硫酸浓度为88%,2,5-DIOL∶硫酸∶过氧化氢的摩尔比为1∶2~4∶6,低温反应温度为2℃,低温反应时间为45分钟,高温反应温度为25℃,高温反应时间为60分钟;步骤二中加入的硫酸和叔丁醇用量为硫酸∶叔丁醇∶2,5-DIOL摩尔比为0~4∶4∶1。
8、根据权利要求7所述的合成方法,其特征在于,所述2,5-DIOL∶硫酸∶过氧化氢的摩尔比为1∶3∶6;所述硫酸∶叔丁醇∶2,5-DIOL摩尔比为4∶4∶1。
9、根据权利要求1至8任一所述的合成方法,其特征在于,所述步骤(1)、(2)、和(3)中体系温度为2℃。
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