DE2036616C3 - Verfahren zur Herstellung von Cyclosiloxanen - Google Patents
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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-
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-
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-
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-
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Description
,R
Zur Herstellung von Cyclosiloxanen sind bereits einige Verfahren bekannt. Diese können beispielsweise
durch begrenzte Hydrolyse von Organosiliciumverbindungen oder durch Einwirkung von Metalloxiden
auf Organosiliciumverbindungen hergestellt werden. Diese bekannten Verfahren haben jedoch
alle bestimmte Nachteile aufzuweisen. So wird beispielsweise durch den Einsatz von Metalloxiden die
Bildung von Nebenprodukten begünstigt, die in dem verwendeten Lösungsmittel löslich sind, so daß für
die nachträgliche Isolierung der gewünschten !Cyclosiloxane zeitraubende und kostspielige Maßnahmen
erforderlich sind. Bei der begrenzten Hydrolyse können hingegen nur bestimmte organische Substituenten
vorhanden sein, da andere organische Subslituenten, wie aromatische Substituenten, vom Si-Atom durch
die Hydrolyseprodukte leicht abgespalten werden. Aus diesem Grunde kann das Verfahren der begrenzten
Hydrolyse nur zur Herstellung einer engbegrenzten Anzahl von Cyclosiloxanen verwendet werden.
Im Gegensatz hierzu wurde unerwarteterweise gefunden, daß Alkalicarbonate al? ungewöhnlich »selektive
Cyclisierungsreaktionsleilnehmcr« fungieren,
worunter zu verstehen ist, daß diese Carbonale die einmalige Fähigkeit zeigen, die intramolekulare Kondensation
des Ausgangsmaterials unter Bildung der entsprechenden cyclischen Produkte zu unterstützen,
wobei gleichzeitig die Nachteile, die bei den bekannten Verfahren auftreten, vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Cyclosiloxanen der Formel
Si-O
I
R.
R.
worin R einen gegebenenfalls halogenierten Alkylrest
mit 1 bis 6 C-Atomen, einen Alkenylrest mit 2 bis 6 C-Atomen, ein Chlor-, Brom- oder Wasserstoffatom
oder einen Phenylrest bedeutet und ζ eine ganze Zahl von mindestens 3 ist, dadurch
gekennzeichnet, daß man Polysiloxane der Formel
Si-O
R
R
worin R einen gegebenenfalls halogenierten Alkylrest mit 1 bis 6 C-Atomen, einen Alkenylrest mit 2 bis
6 C-Atomen, ein Chlor-, Brom- oder Wasserstoffatom oder einen Phenylrest bedeutet und ζ eine ganze
Zahl von mindestens 3 ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß man Polysiloxane der Formel
X —
Si-O
i
R
R
R
Si-X
Si-X
worin R die angegebene Bedeutung hat, X ein Chlor- oder Bromatom bedeutet und y eine ganze
Zahl von mindestens 2 ist, mit mindestens der stöchiometrischen Menge eines Alkalicarbonats
in einem polaren Lösungsmittel umsetzt.
worin R die angegebene Bedeutung hat, X ein Chloroder Bromatom bedeutet und y eine ganze Zahl von
mindestens 2 ist, mit mindestens der stöchiometrischen Menge eines Alkalicarbonats in einem polaren
Lösungsmittel umsetzt.
Beispiele für Alkylreste R sind Methyl-, Äthyl-,
.Propyl-, Isopropyl-, Butyl-, tert.Butyl-, Amyl- und
Hexylreste. Diese Alkylreste können auch halogeniert sein. Beispiele für Alkenylreste R sind Vinyl-, Allyl-.
Methallyl-,
und
CH3CH2CH2CH = CH-CH3CH2CH2CH2CH
= CH-Reste.
R kann ferner ein Chlor- oder Bromatom, ein Phenyl-,
ein Wasserstoffatom oder ein 3,3,3-Trifluorpropylrest
sein.
Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Reaktionsteilnehmer in Gegenwart
des polaren Lösungsmittels physikalisch vermengt oder in beliebiger Weise zur Reaktion gebracht.
So kann z. B. das Polysiloxan mit dem Alkalicarbonat physikalisch vermengt und anschließend
das polare Lösungsmittel zugegeben werden. Statt dessen können auch alle drei Komponenten gleichzeitig
vermengt oder das Polysiloxan kann einem Gemisch aus dem Alkalicarbonat und dem polaren
Lösungsmittel zugefügt werden. Auf jeden Fall muß für eine innige Berührung der drei Komponenten
gesorgt werden.
Von dem Alkalicarbonat sollen mindestens stöchiometrische Mengen verwendet werden. Vorzugsweise
werden überschüssige Mengen des Alkalicarbonats eingesetzt. Es wurde festgestellt, daß bei Einsatz
geringerer Mengen als angegeben, schlechtere Ausbeuten an den gewünschten Cyclosiloxanen erhalten
werden.
Auf Grund der größeren Reaktionsfähigkeit ist Kaliumcarbonat jedoch bevorzugt.
Als polare Lösungsmittel können beliebige du im Handel erhältlichen eingesetzt werden, wie Dimethylformamid,
Dimethylsulfoxid, Nitromethan und Dimethylderivate von Diäthylenglykolen. Acetonitril ist
für den erfindungsgemäßen Zweck bevorzugt.
Die Menge des verwendeten polaren Lösungsmittels spielt keine besondere Rolle, es ist jedoch vorteilhaft,
wenn das Lösungsmittel in gleichen oder größeren Volummengen wie das Polysiloxan vorhanden
ist, da geringere Mengen zu einer beträchtlichen Verschlechterung der Ausbeuten an den Cyclosiloxanen
führen.
Es sei darauf hingewiesen, daß die dem erfindungsgemäßen
Verfahren zugrunde liegende Reaktion exotherm verläuft; das Verfahren wird daher vorteilhaft
bei Raumtemperatur durchgeführt. Mehr als leichtes Erhitzen, z. B. 500C oder höher, führt auch zu einer
Verminderung der Ausbeuten an den Cyclosiloxanen; außerdem wird hierdurch die Neigung zu einer ungeordneten
Disproportionierung unterstützt, das heißt, es wird ein Reaktionsablauf begünstigt, der der gewünschten
Selektivität entgegeugerichtet ist.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Cyclosiloxane können unter Bildung von
Elastomeren und Schmiermitteln polymerisiert werden. Außerdem besitzen einige der so hergestellten
Cyclosiloxane eine biologische Aktivität, die bestimmte physiologische Funktionen bei Säugetieren
verändern können. Durch Verabreichung pharmakologisch wirksamer Mengen der Cyclosiloxane können
die Genitalfunktionen von Säugetieren verändert werden, worunter sowohl das Fortpflanzungsvermögen
als auch die androgene oder östrogene Kapazität zu verstehen sind (vgl. deutsche Offenlegungsschrift
1933 111).
In einem 50-ml-Erlenmeyerkolben wurden 10,0 g
(0,072 Mol) Kaliumcarbonat und 45,0 g Acetonitril vorgelegt, dann wurden 5 g (0,036 Mol) 1,5-Dichlorhexamethyltrisiloxan
zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde mit einem Magnetrührer kontinuierlich
in Bewegung gehalten. Nach Ablauf von 4 Stunden verhielt sich die dekantierte Lösung gegenüber Indikatorpapier
neutral. Durch Gas-Flüssigkeits-chromatographische Analyse wurden (ausschließlich der
Auflösung von Acetonitril) folgende Werte in Flächenprozent ermittelt:
Flächen-%
76
24
Struktur
Hexamethylcyclotrisiloxan
Dodecymethylcyclohexasiloxan
Dodecymethylcyclohexasiloxan
Ein 250-ml-Erlenmeyerkolben wurde mit 5,0 g
(0,036 Mol) Kaliumcarbonat und 140,0 g Acetonitril beschickt. Dann wurden 7,7 g (0,01 Mol) 1,19-Dichlureicosamethyldecosjloxan
(Cl[(CH3)2SiO]9(CH3)2SiCl)
zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde mit einem ίο Magnetrührer kontinuierlich in Bewegung gehalten.
Nach Ablauf von etwa 16 Stunden verhielt sich die dekantierte Lösung gegenüber Indikatorpapier neutral.
Durch Gas-Flüssigkeits-chromatographische Analyse wurde, ausschließlich der Auflösung von
is Acetonitril, nur eine Komponente, nämlich Eicosamethylcyclodecasiloxan
[(CH3J2SiO]10 festgestellt.
Ein 3-1-Dreihalskolben mit Rührer und Trockenrohr
wurde mit 56,7 g (0,41 Mol) Kaliumcarbonat und i 250 g Acetonitril beschickt. Dann wurden 125,0 g
(0,37 Mol) 3-Phenyl-1,5-dichlorpentamethyltrisiloxan
zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde kontinuierlich in Bewegung gehalten. Anschließend wurde eine
Gas-Flüssigkeits-chromatographische Analyse durchgeführt. Die Bildung von Phenylpentamethylcyclotrisiloxan
erreichte ein Maximum von 50 Flächenprozent unter den gebildeten Siloxanprodukten. Eine destillierte
Fraktion von 15,1 g zeigte folgende Werte:
;o Dichte bei 25°C 1.0146
Brechungsindex bei 25° C 1.4536
Molrefraktion:
gefunden 75,88
berechnet 76,00
" Schmelzpunkt 6.5" C
Das Infrarotspektrum zeigte gute Übereinstimmung mit der Struktur von Phenylpentamethylcyclotrisiloxan.
Das kernmagnetische Resonanzspektrum jo ergab folgende Protonenverhältnisse:
Diese Strukturen wurden durch innere Standards bestätigt.
Ein 2-1-Dreihalskolben mit Rührer und Rückflußkühler
wurde mit 41,4 g (0,3 Mol) Kaliumcarbonat und 750 g Acetonitril beschickt. Anschließend wurden
83,1 g (0,145 Mol) 1,13-Dichlortetradecylmethylheptasiloxan
zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde 24 Stunden kontinuierlich gerührt. Nach dieser Zeitdauer
verhielt sich die dekantierte Lösung gegenüber Indikatorpapier neutral. Eine Gas-Flüssigkeits-chromatographische
Analyse ergab, ausschließlich der Auflösung von Acetonitril. 93,1 Flüchenprozem Tetradecylmethylcycloheptasiloxan. Diese Struktur
wurde durch einen inneren Standard bestätigt.
Gefunden
Berechnet
Berechnet
C6H5OV)S,
3,1
3,0
CH ,Si
6,0
6,0
CH ,Si
5.9
6.9
Gefunden
Berechnet
Berechnet
CH5Si
4,8
5,0
5,0
CH .,Si
15.2
15.0
15.0
*l Kennzeichnet das Vorhandensein von Methyl- und Phcn\lresten
am Si-Atom
Ein 2-1-Dreihalskolben mit Rührer und Rücknußkühler wurde mit 41,4 g (0,3 Mol) Kaliumcarbonat
und 900.0 g Acetonitril beschickt. Dann wurden 93.1 (0.147 Mol) 1.13 - Dichlorphenyl - tridecyl - meiliyl·
heptasiloxan zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde 24 Stunden kontinuierlich in Bewegung gehalten.
Danach verhielt sich die dekantierte Lösung gegenüber Indikatorpapier neutral. Eine Gas-Flüssigkeits-chromatographische
Analyse ergab, ausschließlich der Auflösung von Acetonitril. 52.3 Flachenprozent
Phenyhridecylmethylcycloheptasiloxan.
Die folgenden spektroskopischen Daten, die von einer destillierten Fraktion des Produkts ermittelt
wurden, bestätigen ebenfalls die angegebene Struktur. Das Infrarotspektrum war in guter Übereinstimmung
mit der Struktur von Phenyltridecylmethylcycloheptasüoxan.
Das kernmagnetische Resonanzspektrum ergab folgende Protonen Verhältnisse:
C„H,Si | CH3S | |
Gefunden .... | 10,0 | 12,0 |
Berechnet .... | 10,0 | 12.0 |
Beispiel 7 |
Reaktionsprodukts ergab folgende charakteristische Daten:
% Chlor:
gefunden 10,88
berechnet 11,18
Dichte bei 250C 1,0402
Brechungsindex bei 25° C 1,4016
Molrefraktion:
gefunden 74,15
berechnet 74,36
Das Infrarotspektrum zeigte gute Übereinstimmung mit der Struktur von Chlorheptamethyltetrasiloxan.
Das keramagnetische Resonanzspektrum is ergab folgende Methylprotonenverhältnisse:
Gefunden
Berechnet
Berechnet
Ein 5-1-Dreihalskolben mit Rührer und Rückflußkühler
wurde mit 250 g (1,81 Mol) Kaliumcarbonat und 3037 g Acetonitril beschickt. Dann wurden 303,7 g
(0,756 Mol) !,S-Diphenyl-US-dichlortetramethyltrisiloxan
zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde in Bewegung gehalten, bis sich eine Probe aus der dekantierten
Lösung gegenüber Indikatorpapier neutral verhielt. Die Gas-Flüssigkeits-chromatographische
Analyse ergab, ausschließlich der Auflösung von Acetonitril, 89 Flächenprozent 1,5-Diphenyltetramethylcyclotrisiloxan.
Eine destillierte Fraktion von 62,4 g zeigte die folgenden Eigenschaften:
Dichte bei 25°C 1,0714
Brechungsindex bei 25° C 1.5027
Molrefraktion:
gefunden 95,5S
berechnet 95,90
Das Infrarotspektrum zeigte gute Übereinstimmung mit der Struktur Tür ein Gemisch aus eis- und
fans-Isomeren des 1,5-Diphenyltetramethylcyclotrisiloxans.
Das kernmagnetische Resonanzspektrum ergab folgende Protonen Verhältnisse:
Ein 3-1-Dreihalskolben mit Rührer und Rückflußkühler
wurde mit 81,9 g (0,593 Mol) Kaliumcarbonat und 1980 g CH3CN gefüllt. Dann wurden 220 g
(0,6 Mol) 1,1,7-Trichlorheptamethyltetrasiloxan zugegeben.
Das Ausmaß der Cyclisierung wurde als Funktion der Zeit durch eine Gas-Flüssigkeits-chromatographische
Analyse verfolgt. Nach vollständigem Verschwinden des 1,1,7-Trichlorheptamethyltetrasiloxans
wurden 56,7 Flächenprozent Chlorheptamethylcyclotetrasiloxan festgestellt. Eine destillierte Fraktion des
Gefunden ..
Berechnet ..
Berechnet ..
CH3Si
0,9
1,0
1,0
(CH3J2Si
4,0
4,0
2,1
2,0
2,0
62,5 ε (0,216 Mol) 1,5 - Dichlor - 1 - vinyl - pentamethyltrisiloxan
wurden portionsweise innerhalb von 7 Minuten unter raschem Rühren einer Aufschlämmung
aus 32,9 g (0,238 Mol) wasserfreiem Kaliumcarbonat in 1095 ml (90 Gewichtsprozent) Acetonitril
in einem 3000-ml-Dreihalskolben zugegeben. Der
Fortschritt der Reaktion wurde durch eine Gas-Flüssigkeits-chromatographische Analyse verfolgt.
Nach 107 Minuten wurden nur mehr Spuren des 1,5-Dichlor-1 -vinyl-pentamethyltrisiloxans festgestellt
und das Cyclotrisiloxan der Formel
CH3
CH3
H2C = C
CH3
i I I
- Si — O — Si — O — Si — O —ι
CH3
CH3
ergab etwa 82 Flächenprozent der flüchtigen Bestandteile ausschließlich des Acetonitrile.
Dieses Gemisch sofort in etwa 1000 ml Cyclohexan aufgenommen, nachdem es zuerst von Kaliumcarbn
nat und Kaliumchlorid abdekantiert worden war. Nach mehrmaligem Waschen mit verdünntem Ammoniumhydroxid
(0,1-n) und dann mit destilliertem Wasser verhielt sich die Cyclohexanlösung neutral
und wurde über etwa 50 g Natriumsulfat getrocknet, dann abfiltriert und im Vakuum bei etwa 25 C und
50 mm Hg von flüchtigen Bestandteilen befreit. Der Rückstand (41,6 g) wurde dann unter vermindertem
Druck in einer Vorrichtung nach T ο d d fraktioniert. Durch Destillation wurden 18 g (0,078 Mol)
Vinyl-pentamethylcyclotrisiloxan erhalten.
Ausbeute: 36%: Siedepunkt: 57°C bei 19 mm Hg; η ι? 1.3965; d2i 0.9406 g/ml. Analysedaten berechnet
für C7H18Si3O3: MR0 60,27; gefunden MR„ 59.96.
Die Gas-Flüssigkeits-Chromatographie einer Probe, die von der konstant siedenden Fraktion genommen
wurde, zeigte, daß nur eine Komponente vorhanden war. Das Infrarotspektrum dieses destillierten Produktes,
in Tetrachlorkohlenstoff und Schwefelkohlenstoff aufgenommen, zeigte Banden, die Si—O—Si
1 3. Si—CH=CH2 (1597 cm"1) und
C—Η-Bindungen zugeordnet werden können und
die auf eine Mischpolymerisatstruktur des Vinylmethyldimethyl-cyclotrisiloxans
hindeuten. Durch Massenspektrometrie wurde die Substanz als Vinylpentamethylcyclotrisiloxan
bestätigt. Das Massenspektrum zeigte einen ersten Peak bei m/e 234, entsprechend
einer Si3O3C7H18 Zusammensetzung. Die
Substanz wurde außerdem durch das Protonenkernmagnetische Resonanzspektrum im Tetrachlorkohlenstoff
als Vinyl-pentamethyl-cyclotrisiloxan identifiziert.
Das Spektrum zeigte ein Multiplett bei 4,0, 4,2 ppm, das charakteristisch für Vinylprotonen ist.
Ferner zeigte das Spektrum zwei scharfe Singletts bei 9,822 und 9,862 ppm auf Grund der Methylprotonen
von CH2=CHSiCH3- bzw. Si(CH3)2. Das Verhältnis
von SiCH=CH2-Protonen zu SiCH3-(gesamt)-Protonen
war 2,8:15,2.
108 g \O,i63 Mol) 1,9-Dichlor-1-hydrogen-nonamethylpentasiloxan
wurden innerhalb von 20 Minuten portionsweise unter raschem Rühren einer Aufschlämmung
aus 39,9 g (0,289 Mol) wasserfreiem Kaliumcarbonat in 1705 ml (90 Gewichtsprozent) Acetonitril
in einem 3000-rnl-Dreihalskolben zugegeben.
Eine Gas-Flüssigkeits-chromatographische Analyse, die nach 200 Minuten Reaktionszeit durchgeführt
wurde, ergab nur mehr Spuren des eingesetzten Chlorsiloxans, das Cyclopentasiloxan machte etwa
74 Flächenprozent der flüchtigen Bestandteile, ausschließlich dc» Acetonitrile aus.
Das Gemisch wurde dann sofort in etwa 500 ml Hexan aufgenommen, nachdem es zuerst von den
Feststoffen abfiltriert worden war. Nach mehrmaligem Waschen mit destilliertem Wasser verhielt sich die
Hexanlösung neutral und wurde mit wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet, dann abfiltriert und im
Vakuum bei 25° C und 20 mm Hg von flüchtigen Bestandteilen befreit. Dieser Rückstand (78,3 g) wurde
dann bei vermindertem Druck in einer Vorrichtung von T ο d d fraktioniert. Durch Destillation wurden
53 g (0.149 Mol) Nonamethylcyclopentasiloxan, Siedepunkt 74° C bei 6 mm Hg; n? = l,3945;d2S 0.9605 g ml.
entsprechend einer Ausbeute von 57%, erhalten. Analysedaten berechnet für CqH2?Si5O5: MR., 89.10;
gefunden MR D 88,95. Die Gas-Flüssigkeits-chromatographische
Analyse einer Probe, die aus einer konstant siedenden Fraktion entnommen wurde, zeigte, daß
nur eine Komponente vorhanden war. Das Infrarotspektrum dieser destillierten Fraktion, das in Tetrachlorkohlenstoff
und Schwefelkohlenstoff aufgenommen wurde, zeigte Banden, die Si—O; Si — O—Si;
SiCH3, C-H- und Si-H- (2155 cm'M-Bindungen
zugeordnet werden können, das entspricht einem Cyclopentasiloxan, das Si—Η-Bindungen enthielt.
Ein Massenspektrum dieser Probe bestätigte die Substanz als Nonamethylcyclopentasiloxan und zeigte
bei m/e 355 einen Peak für den Verlust eines Wasserstoffatoms und bei m/e 341 für den Verlust einer
Methylgruppe. Die Substanz wurde außerdem mittels des kernmagnetischen Resonanzspektrums, das
in Tetrachlorkohlenstoff aufgenommen wurde, identifiziert. Das Spektrum zeigte bei etwa 5.2 bis 5,4 ppm
ein Multiplen, was charakteristisch für die Si—H-
s Protonen in der Anordnung H—Si—CH3 ist. Das
Spektrum zeigte Singletts (nicht ganz aufgelöst) bei 9,930, 9,909, 9,873 ppm auf Grund der Si(CH3)2-
und H—SiCH^Methylprotonen. Das Verhältnis von Si—H-Protonen zu Si—CH 3(gesamt)- Protonen war
ίο 1,0:27,0.
36,7 g (0,10 Mol) 1,3-Dichlor-1,3-trifluorpropyldimethyldisiloxan
und 20,3 g (0,10 Mol) 1,3-Dichlor-
is tetramethyldisiloxan wurden vereinigt und portionsweise
aus einem Tropftrichter innerhalb von 5 Minuten in eine Aufschlämmung aus 41,4 g (0,30 Mol)
wasserfreiem Kaliumcarbonat und 513 g (90 Gewichtsprozent) Acetonitril in einem 2000 -ml-Dreihalskolben
unter schnellem Rühren eingetragen. Das Ausmaß der Reaktion wurde durch eine Gas-Flüssigkeits-chromatographische
Analyse verfolgt. Das nach 4stündiger Reaktionszeit aufgezeichnete Chromatogramm
zeigte, daß das eingesetzte 1.3-Dichlordisiloxan
umgesetzt worden war und folgende Cyclotetrasiloxane in Flächenprozent (mit Ausnahme von
CH3CN) vorhanden waren: [(CH3)ZSiO]4 17,5%;
CH2CH2CF3 CH2CH2CF3 CH3 CH3
-Si O Si O Si—Ο—Si —Ο —
-Si O Si O Si—Ο—Si —Ο —
CH3
CH3
CH3
CH3
43,5% und
CH3
^CF3CH2CH2SiO4
Die Reaktionsprodukte
Die Reaktionsprodukte
34,8%
[(CHj)2SiO]4 und
CH3
CF3CH2CH2SiO
wurden durch chromatographische Auswertung mit inneren Standards identifiziert, und die cyclischen
Mischpolymerisate wurden durch die Retentionszeiten ermittelt. Dieses Gemisch wurde dann sofort
in Cyclohexan (600 ml) aufgenommen, nachdem es zuerst von Kaliumcarbonat und Kaliumchlorid ab
dekantiert worden war. Nach mehrmaligem Wascher mit destilliertem Wasser, verhielt sich die Cyclo
hexanlösung gegenüber Indikatorpapier neutral unc wurde mit etwa 50 g wasserfreiem Natriumsulfa
getrocknet, dann abfiltriert und das Cyclohexan be 25° C und 50 mm Hg entfernt. Dieser Rückstan«
(46,8 g) wurde dann bei vermindertem Druck in eine
ho Drehbandkolonne fraktioniert.
409 622/'
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Herstellung von Cyclosiloxanen der FormelVSi-O-Si-X
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