DE102009021479A1 - Verfahren zur Herstellung von oxidbasierten metall-organischen Gerüstmaterialien mittels inverser Synthese - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von oxidbasierten metall-organischen Gerüstmaterialien mittels inverser Synthese Download PDF

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Abstract

Metall-organische Gerüstmaterialien, so genannte "Metal-Organic Frameworks" (MOF) mit bestimmten Poren bzw. Porenverteilungen und großen spezifischen Oberflächen sind als potentielle Gasspeichermaterialien bei der Nutzung alternativer Energien und als Erdgasspeichermaterialien von Interesse. MOF's können auch in der chemisch-technischen Katalyse und als analytisches Trennmaterial in Form der stationären Phase für die Gas- und Flüssigchromatographie oder als sensitive Schicht in der Sensortechnik Anwendung finden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von oxidbasierten MOF (OMOF) zu entwickeln, das die ökonomisch und ökologisch vertretbare Produktion großer Mengen OMOF bei Reproduzierbarkeit einer gleichbleibend maximalen spezifischen Oberfläche gestattet. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass Verbindungen des Typs MOA, wobei das Anion A der Säurerest einer Säure mit zwei oder drei Donoratomen pro Molekül ist, mit einer Säure mit mindestiner Säure mit vier Donoratomen als Linker in Gegenwart nichtwässriger, vorzugsweise aprotonisch-polarer Lösungs- bzw. Dispersionsmittel umgesetzt werden. Als Metalle M kommen alle Metalle in Frage, die in der formalen Oxidationsstufe +2 auftreten können.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von oxidbasierten metallorganischen Gerüstmaterialien des Typs M4OBx mit x ≤ 3. Metall-organische Gerüstmaterialien, so genannte „Metal-Organic Frameworks” (MOF) mit bestimmten Poren bzw. Porenverteilungen und großen spezifischen Oberflächen sind als potentielle Gasspeichermaterialien bei der Nutzung alternativer Energien und als Erdgasspeichermaterialien von Interesse. MOFs können auch in der chemisch-technischen Katalyse und als analytisches Trennmaterial in Form der stationären Phase für die Gas- und Flüssigchromatographie oder als sensitive Schicht in der Sensortechnik Anwendung finden.
  • Zur Zeit wird zur Herstellung von oxidbasierten MOF fast ausschließlich eine thermisch geführte Methode angewandt, die im Allgemeinen als „solvothermal” bezeichnet wird. Diese Methode wurde von Omar Yaghi zuerst für die von ihm definierte Klasse der IR-MOF angewandt [1]. Die hierbei ablaufenden Reaktionen sind heute weitestgehend verstanden [2]. Für das als MOF-5 (IRMOF-1) bezeichnete Zinkoxoterephthalat wurden zum Zweck einer technischen Probeproduktion folgende, bereits optimierte Synthesebedingungen veröffentlicht [3]:
    • – 7,26 g (43,7 mmol) Terephthalsäure (H2BDC) pro kg N,N-Diethylformamid (DEF)
    • – 34,16 g Zn(NO3)2 x 4H2O pro kg DEF (130,7 mmol)
    • – Ansatzgröße: 5,65 kg DEF (6,21 Liter)
    • – Reaktionsführung: 130°C, Rückfluss
    • – Reaktionszeit: 4 h
    • – Filtrieren, Waschen mit Aceton, Trocknung im N2-Strom, Desolvatation im Vakuum
  • Diese Methode beruht auf der langsamen hydrolytischen Zersetzung des Lösungsmittels DEF welche durch Freisetzung von Diethylamin zur Deprotonierung der eingesetzten Carbonsäure führt. Das zentrale Oxidion des Zinkoxoclusters wird durch die Zersetzung des auch als Zinkquelle dienenden Zinknitrat-Hydrates gebildet. Die bei dieser Zersetzung freiwerdenden Stickoxide bilden durch Reaktion mit dem Lösungsmittel das karzinogene N-Nitrosodiethylamin [2]. Das Zinknitrat-Hydrat muss im Überschuss eingesetzt werden, da es während der ganzen Reaktionsperiode als pH-Puffer notwendig ist.
  • Weitere, großtechnisch nicht durchführbare Varianten sind die Beschleunigung der „solvothermalen” Reaktion durch Mikrowellen [4] [5] und die Kristallisation aus einer analog hergestellten Lösung bei Raumtemperatur nach thermischer Vorbehandlung [6].
  • In der älteren Literatur [7] findet sich ferner eine Methode, bei der eine organische Base im Verlauf von Tagen in eine Lösung von Zn(NO3)2 × H2O und H2BDC in N,N-Dimethylformamid (DMF) hineindiffundiert. Die direkte Zugabe der Base zur Reaktionslösung führt zu Produkten mit sehr stark herabgesetzten spezifischen Oberflächen [4] [5].
  • Das für die thermische Methode fast ausschließlich verwendete Lösungsmittel DEF wird derzeit nicht großtechnisch produziert und ist deshalb nur zu für Feinchemikalien üblichen Preisen zu beziehen. Der Losungsmittelverbrauch stellt somit den wichtigsten Kostenfaktor für ein entsprechendes Verfahren dar.
  • Bei allen bisher angewandten Methoden kommt es zur Anreicherung von Nebenprodukten (Ammoniumsalze, Formiat) und nicht umgesetztem Zinknitrat in den Restlösungen. Das bei thermischer Reaktionsführung anfallende, stark kanzerogene N-Nitrosodiethylamin stellt ein erhebliches, im technischen Maßstab kaum lösbares Entsorgungsproblem dar.
  • Die Wiederverwendung oder Aufarbeitung einer verwendeten Reaktionslösung gestaltet sich wegen des hohen Lösungsmitteleinsatzes (z. B. 1 Liter DEF für 11 g MOF-5 in [3]) und des hohen Siedepunktes der als Lösungsmittel in Frage kommenden Formamide problematisch und kostenaufwendig.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von oxidbasierten MOF (OMOF) zu entwickeln, das die ökonomisch und ökologisch vertretbare Produktion großer Mengen OMOF bei Reproduzierbarkeit einer gleichbleibend maximalen spezifischen Oberfläche gestattet. Des weiteren soll es dieses Verfahren ermöglichen, das Metall Zink, welches bis zum jetzigen Zeitpunkt die Klasse der OMOF mit tetraedrisch von Metallionen umgebenen Oxid im Zentrum der SBU dominiert, durch andere zweiwertige Metallzentren zu ersetzen. Die so darstellbaren zu den entsprechenden Zinkverbindungen isomorphen OMOF sollen bei gleicher Porösität und leichter Identifizierbarkeit durch XRPD höhere Stabilitäten und massebezogene Speicherkapazitäten (Verwendung leichter Hauptgruppenmetalle) oder erhöhte katalytische Aktivität und sensorisch interessante magnetische- und Leitungseigenschaften (Verwendung von Nebengruppenmetallen mit unvollständigen d-Niveaus) aufweisen.
  • In Hinsicht auf die Erfindungshöhe kann die erfindungsgemäße Austauschreaktion nicht als trivial angesehen werden. Nach den in [8] (Transacidifizierung an Zinkoxosalzen) und [9] (Terephthalat-Acetat-Austausch an Berylliumoxoacetat) beschriebenen, erfolglosen Versuchen können folgende Ansichten als in der Fachwelt etabliert gelten:
    • a) beim Versuch der Transacidifizierung an Zinkoxosalzen mit Carbonsäuren kommt es zur Protonierung des zentralen Oxidions unter Bildung von Wasser und der binären Zinksalze der entsprechenden Säuren
    • b) beim Versuch der Transacidifizierung von Berylliumoxoacetat mit Terephthalsäure bleibt der Austausch unvollständig.
  • In Widerspruch zu diesen etablierten Ansichten konnte jedoch gezeigt werden, dass durch die Wahl geeigneter Bedingungen (Lösungsmittel, Temperatur) die erfindungsgemäße Austauschreaktion unter Bildung von OMOF-Strukturen dennoch möglich ist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass Verbindungen des Typs M4OA6, wobei das Anion A der Säurerest einer Säure mit zwei oder drei Donoratomen pro Molekül ist, mit einer Säure deren Säurerest B mindestens vier Donoratome aufweist in Gegenwart nichtwässriger Lösungs- bzw. Dispersionsmittel umgesetzt werden.
  • Die erfindungsgemäße inverse Synthese unterscheidet sich von den bekannten Herstellungsverfahren dadurch, dass mit den eingesetzten Verbindungen des Typs M4OA6 bereits das den SBU (secundary building unit) der OMOF bildende Strukturelement vorgegeben ist.
  • Als Verbindungen des Typs M4OA6 werden im Falle
    M = Zn vorzugsweise Zn4OAc6 (Ac = Acetat, CH3COO), Zn4O(HCOO)6 und Zn4OBz6 (Bz = Benzoat, C6H5COO) eingesetzt.
  • Im Falle M = Be wird vorzugsweise Be4OAc6 eingesetzt.
  • Im Falle M = Co wird vorzugsweise Co4OPiv6 (Piv = Pivalat, CMe3COO, Me = Methyl) eingesetzt, welches als Dimer, Co8O2Piv12 darstellbar ist.
  • Als Metalle M kommen alle Metalle in Frage, die in der formalen Oxidationsstufe +2 auftreten können.
  • Als Säure mit mindestens vier Donoratomen, die als Linker fungieren, werden vorzugsweise aromatische Di- oder Tri-carbonsäuren eingesetzt. Besonders geeignet sind Terephthalsäure, ortho-Phthalsäure, iso-Phthalsäure, Benzoltricarbonsäure, Benzoltribenzoesäure oder Gemische dieser Säuren. Möglich ist auch der Einsatz der entsprechenden Säurederivate, z. B. Salz, Ester, Amid bzw. Anhydrid. Eine weitere Variante besteht darin, die Säuren mit mindestens vier Donoratomen im Gemisch mit Neutralliganden einzusetzen.
  • Als nichtwässrige Lösungs- bzw. Dispersionsmittel werden vorzugsweise aprotonischpolare Lösungs- und Dispersionsmittel und insbesondere Ketone oder Carbonsäureamide oder auch Gemische von Ketonen und Carbonsäureamiden eingesetzt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bietet durch den stöchiometrischen Umsatz sowie die Variabilität und leichte Rückgewinnbarkeit des Lösungsmittels ökonomische Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren. Durch die Vermeidung von Nebenreaktionen werden unerwünschte Einschlüsse im porösen Material vermieden. In ökologischer Hinsicht werden die im herkömmlichen Verfahren entstehenden karzinogenen N-Nitrosoamine vermieden.
  • Die Erfindung soll anhand der folgenden drei Beispiele verdeutlicht werden:
  • Beispiel 1
  • Mit Zinkoxobenzoat und Zinkoxoacetat gelingt es, durch folgende einfache Austauschreaktion zu MOF-5 (IRMOF-1) zu gelangen: Zn4OA6 + 3H2BDC → Zn4O(BDC)3 + 6HA (BDC = Terephthalat, p-C6H4(COO)2 2–)
  • Im Lösungsmittel DEF ist diese Reaktion als Fällungsreaktion bei Raumtemperatur ausführbar.
  • Im Experiment wurden klare Lösungen der Ausgangsstoffe zusammengegeben und der sich augenblicklich bildende Niederschlag abfiltriert, mit frischem DEF gewaschen und der für MOF-Strukturen üblichen Desolvatationsprozedur (Suspendieren in Chloroform mit mehrmaligem Erneuern des Chloroforms, gefolgt vom Trocknen im Olpumpenvakuum bei 200°C) unterworfen.
  • Bessere Kristallinität und Porösität des Produktes werden durch Reaktionsführung bei 100°C und langsamer Zugabe (1,2 ml/min) der Terephthalsäurelösung (0,03 M) zu der Lösung des Oxosalzes (0.01 M) erzielt.
  • Die Löslichkeit der Terephthalsäure (H2BDC) in Aceton ist äußerst gering. Dennoch gelingt die Synthese von MOF-5 in Aceton nach obiger Gleichung durch folgende Modifikationen der Reaktionsführung:
    • 1. Ausführung der Reaktion in Suspension
    • 2. Ausführung der Reaktion mittels kontinuierlicher Extraktion der schwerlöslichen Säure in die Reaktionslösung
  • Diese Ausführung nahm ca. 12 Stunden in Anspruch. Bei Verwendung von wasserfreiem Aceton ist das erhaltene Produkt reiner MOF-5, ansonsten enthält es Zinkbenzoat, welches jedoch mit frischem Aceton herauslösbar ist.
  • Die Identifikation der erhaltenen Pulver erfolgte pulverdiffraktometrisch (1). Zum Nachweis der Porösität wurden Adsorptionsisothermem bei 77 K mit Stickstoff als Messgas aufgenommen (4). Für MOF-5, hergestellt bei aus Zn4OAc6 100°C durch langsame Zugabe von H2BDC in DEF lässt sich dadurch eine N2-Kapazität der Mikroporen von 750 cm3(STP)/g und ein Porenvolumen von 1,16 cm3/g abschätzen.
  • Die Herstellung von Zinkoxobenzoat ist nach [10] sehr leicht durch Umkristallisation von Zinkbenzoat aus Aceton, welches ein Minimum an Wasser enthält, möglich.
  • Die Bildungsreaktion ist wie folgt zu formulieren: 4ZnBz2 + H2O → Zn4OBz6 + 2HBz (Bz = Bezoat, C6H5COO)
  • Durch die Bildungsreaktion von Zn4OBz6, reichert sich die Säure HBz im Lösungsmittel an. Sie kann destillativ durch Abdestillation des Lösungsmittels in reiner Form abgetrennt und erneut zur Herstellung von Zinkbenzoat eingesetzt werden. Um die relativ kostenaufwendige Destillation zu vermeiden, ist jedoch die Wiederverwendung der Restlösung zur Herstellung von Zinkbenzoat vorzuziehen. Zinkoxobenzoat ist unzersetzt löslich in DEF und Aceton.
  • In analoger Weise kann die bei der erfindungsgemäßen Austauschreaktion im Lösungsmittel verbleibende Benzoesäure aufgearbeitet werden.
  • Zinkoxoacetat kann nach [11] durch thermische Zersetzung unter Sublimation von wasserfreiem Zinkacetat synthetisiert werden: 4Zn(CH3COO)2 → Zn4O(CH3COO)6 + CH3(CO)CH3 + CO2
  • Beispiel 2
  • Mit Berylliumoxoacetat, Be4OAc6 gelingt es, durch die erfindungsgemäße Austauschreaktion zu einer MOF-5-isomorphen Verbindung zu gelangen: eine 0,01 M Lösung von Be4OAc6 in siedendem DMF (153°C) wurde vorgelegt und in diese eine 0,03 M Lösung von H2BDC in DMF mit einer Geschwindigkeit von 1 ml/min unter Rühren zugegeben. Es wurden gleiche Volumina der Ausgangslösungen eingesetzt. Nach beendeter Zugabe wurde die resultierende Suspension noch 2 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Der erhaltene weiße Feststoff wurde abfiltriert und wie unter Beispiel 1 umsolvatisiert und getrocknet. Die Ausbeute war nahezu quantitativ. Das Diffraktogramm des erhaltenen Pulvers (2) lässt sich unter Annahme einer MOF-5-analogen Struktur, Raumgruppe F m –3 m unter Ersatz des Zn2+ durch Be2+ vollständig indizieren. Die Gitterkonstante des so hergestellten MOF-5(Be) beträgt 23.95 Å im Vergleich zu 25.76 Å bei der Originalstruktur. Bei tieferen Temperaturen werden amorphe Festkörper erhalten, die eine geringere, aber doch vorhandene Porösität aufweisen.
  • Der Nachweis der Porösität wurde wie in Beispiel 1 durch Aufnahme der N2-Adsorptionsisothermem bei 77 K erbracht (4). Für amorphen MOF-5(Be), hergestellt bei 100°C lässt sich dadurch eine N2-Kapazität der Mikroporen von 180 cm3(STP)/g abschätzen, für kristallinen MOF-5(Be), hergestellt bei 153°C beträgt der entsprechende Wert 550 cm3(STP)/g. Die Porenvolumina lassen sich für das amorphe Material zu ca. 0,28 cm3/g, für das kristalline zu ca. 0,85 cm3/g ermitteln.
  • Die thermische Zersetzung des kristallinen MOF-5(Be) lässt sich thermogravimetrisch unter inerter Atmosphäre erst ab 500°C feststellen. MOF-5(Zn) zersetzt sich hingegen bereits bei 350°C. An der Luft scheint das Material unbegrenzt haltbar zu sein.
  • Berylliumoxoacetat ist nach [12] sehr leicht durch Lösen von Berylliumhydroxid in Eisessig, welcher eine geringe Menge Wasser enthält, darstellbar.
  • Beispiel 3
  • Durch Umsetzung des dimeren Cobaltoxopivalates, (Co4OPiv6)2 = Co8O2Piv12 gelingt es, durch die erfindungsgemäße Austauschreaktion zu einer MOF-5-isomorphen Verbindung zu gelangen: eine 0,01 M Lösung von Co8O2Piv12 in DEF bei 80°C wurde vorgelegt und in diese eine 0,06 M Lösung von H2BDC in DEF mit einer Geschwindigkeit von 1 ml/min unter Rühren zugegeben. Die Volumina der Ausgangslösungen wurden gemäß der Stöchiometrie von 1:6 gleich eingestellt. Nach beendeter Zugabe wurde der entstandene blaue Feststoff abfiltriert und wie unter Beispiel 1 umsolvatisiert und getrocknet. Die Ausbeute war nahezu quantitativ. Das Diffraktogramm des erhaltenen Pulvers (3) lässt sich unter Annahme einer MOF-5-analogen Struktur, Raumgruppe F m –3 m unter Ersatz des Zn2+ durch Co2+ vollständig indizieren. Die Gitterkonstante des so hergestellten MOF-5(Co) beträgt 25.83 Å im Vergleich zu 25.76 Å bei der Originalstruktur.
  • Der Nachweis der Porösität erfolgte wie unter Beispiel 1 und 3 durch Adsorptionsmessung mit Stickstoff (4). Die N2-Kapazität der Mikroporen lag bei diesem Material bei etwa 300 cm3(STP)/g, das daraus ermittelbare Porenvolumen bei 0,46 cm3/g.
  • Das als Precursor benötigte Cobaltoxopivalat, ist in Anlehnung an [13] und [14] aus Cobalt-(II)carbonat und Pivalinsäure über folgenden Pfad erhältlich:
    • 1. 2CoCO3 + 8HPiv → [Co2(μ-OH2)(Piv)4(HPiv)4] + 2CO2 + H2O
    • 2. [Co2(μ-OH2)(Piv)4(HPiv)4] → 2CoPiv2 + 4HPiv + H2O (thermische Zerzetzung, 180°C)
    • 3. 4CoPiv2 + 2H2O + 8EtOH → [Co43-OH)2(Piv)6(EtOH)6]·2EtOH + 2HPiv, EtOH = Ethanol
    • 4. 2[Co43-OH)2(Piv)6(EtOH)6]·2EtOH → Co8O2Piv12 + 2H2O + 8EtOH (thermische Zersetzung unter Sublimation, 220°C)
  • Literatur:
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    • [13] G. Aromi et al., Chem. Eur. J., 2003, 9, 5142
    • [14] A. A. Siderov, Russ. Chem. Bull, 2000, Vol. 49, Nr. 5, 958
  • Figure 00090001
  • Abbildung 1:
  • Identifikation der erhaltenen Pulver durch XRPD: Vergleich eines simulierten Diffraktogrammes aus Einkristalldaten (senkrechte Linien) zum Meßdiagramm für ein nach der Extraktionsmethode in Aceton hergestelltes Produkt.
  • Figure 00100001
  • Abbildung 2:
  • Indiziertes Pulverdiffraktogramm von MOF-5(Be). Das simulierte Diffraktogramm (senkrechte Linien) wurde unter Annahme der MOF-5-Struktur, Raumgruppe F m –3 m unter Ersatz des Zn2+ durch Be2+ erstellt. Die kubische Gitterkonstante beträgt bei Raumtemperatur 23,95 Å im Vergleich zu 25,76 Å bei Original-MOF-5
  • Figure 00110001
  • Abbildung 3:
  • Indiziertes Pulverdiffraktogramm von MOF-5(Co). Das simulierte Diffraktogramm (senkrechte Linien) wurde unter Annahme der MOF-5-Struktur, Raumgruppe F m –3 m unter Ersatz des Zn2+ durch Co2+ erstellt. Die kubische Gitterkonstante beträgt bei Raumtemperatur 25.83 Å im Vergleich zu 25,76 Å bei Original-MOF-5
  • Figure 00120001
  • Abbildung 4:
  • Stickstoff-Adsorptionsisothermen bei 77 K einiger Proben präpariert nach den in den Beispielen 1, 2 und 3 erläuterten Methoden. Auf die vollständig evakuierte, auf 77 K gekühlte Probe werden nacheinander kleine, genau bekannte Portionen gasförmigen Stickstoff gegeben. Nach jeder Zugabe wird der sich einstellende Druck gemessen. Während der Kondensation des N2 in den Mikroporen der MOF erfolgt kaum eine Änderung des Gleichgewichtsdruckes, ersichtlich am nahezu senkrechten Anstieg der Isotherme im Bereich unter p/p0 = 0,02. Die Angabe der adsorbierten Gasmenge erfolgt wie üblich in ml(STP)/g, STP = standard temperature and pressure, 0°C, 101,325 kPa. Die Abschätzung des Porenvolumens erfolgte durch die Annahme der Dichte 0,8076 g/cm3 für den in den Poren verflüssigten Stickstoff.

Claims (9)

  1. Verfahren zu Herstellung von oxidbasierten metall-organischen Gerüstmaterialien mittels inverser Synthese, gekennzeichnet dadurch, dass Verbindungen des Typs Me4OA6, wobei das Anion A der Säurerest einer Säure mit zwei oder drei Donoratomen pro Molekül und Me ein Metall, dass in der formalen Oxidationsstufe +2 auftreten kann, sind, mit einer Säure mit mindestens vier Donoratomen oder mit einem Säurederivat einer Säure mit vier Donoratomen als Linker in Gegenwart nichtwässriger Lösungs- bzw. Dispersionsmittel umgesetzt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet daduch, dass eine Verbindung des Typs Me4OA6, wobei Me Zink Cobalt bzw. Beryllium ist, eingesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass als Verbindung des Typs Me4OA6 Zinkoxobenzoat, Zinkoxoacetat, Zinkformiat, Berylliumoxoacetat bzw. Cobaltoxopivalat eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Linker im Gemisch mit Neutralliganden eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als Linker aromatische Di- oder Tri-carbonsäuren eingesetzt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, gekennzeichnet dadurch, dass als Linker Terephthalsäure, ortho-Phthalsäure, iso-Phthalsäure, Benzoltricarbonsäure, Benzoltribenzoesäure oder Gemische dieser Säuren eingesetzt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als Linker Salze, Ester, Amide bzw. Anhydride einer Säure mit mindestens vier Donoratomen eingesetzt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch dass als nichtwässrige Lösungs- bzw. Dispersionsmittel aprotonisch-polare Lösungs- bzw. Dispersionsmittel eingesetzt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 und 8, gekennzeichnet dadurch, dass als nichtwässrige Lösungs- bzw. Dispersionsmittel Ketone oder Carbonsäureamide oder auch Gemische von Ketonen und Carbonsäureamiden eingesetzt werden.
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