DE2952228A1 - Light collecting system contg. amino or alkoxy cyano coumarin cpd. - with carboxylic or heterocyclic substit. giving high quantum yield - Google Patents
Light collecting system contg. amino or alkoxy cyano coumarin cpd. - with carboxylic or heterocyclic substit. giving high quantum yieldInfo
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Abstract
Description
Lichtsarnznelsysteme unter Verwendung von Cumarinderi-Light barrier systems using coumarin
vaten als Energiewandler Vorrichtungen zum Sammeln diffuser elektromagnetischer Strahlung durch Ausnützen der Fluoreszenz sind bekannt.vaten as energy converters devices for collecting diffuse electromagnetic Radiation by utilizing fluorescence are known.
Kernstück der Sammler ist ein gegenüber der Umgebung optisch dichteres Medium, das fluoreszenzfähige Zentren enthält (DE-OS 2 620 115).The core of the collector is a visually denser one compared to the surroundings Medium containing centers capable of fluorescence (DE-OS 2 620 115).
Die ökonomische Verwendbarkeit eines Lichtsammelsystems wird in hohem Maße von der Brauchbarkeit des in ihm als Lichtwandler eingesetzten Farbstoffs bestimmt.The economic usefulness of a light collection system becomes in high Measure determined by the usefulness of the dye used in it as a light converter.
An die optische Qualität dieses Farbstoffes werden extreme Anforderungen gestellt (Festkörperprobleme XIX, 427 (1979)).Extreme demands are placed on the optical quality of this dye (Solid body problems XIX, 427 (1979)).
Die Erfindung betrifft neue Lichtsammelsysteme, die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie als Energiewandler ein Cumarinderivat der Formel enthalten.The invention relates to new light collection systems which are characterized in that they use a coumarin derivative of the formula as an energy converter contain.
In Formel (I) bedeuten: T 0 oder NR4, wobei R4 für Wasserstoff, gegebenenfalls substituiertes Alkyl oder gegebenenfalls substituiertes Aryl steht; R1 ein über ein C-Atom gebundener carbo- oder heterocyclischer 5- oder 6-gliedriger Ring oder ein über ein N-Atom gebundener 5- oder 6-gliedriger heterocyclischer Ring, der zu einer durch die Cumarin-N-Heterocyclus gelegten Achse rotationsunsymmetrisch ist, wobei die genannten 5- oder 6-gliedrigen Ringe nicht-ionogene Substituenten tragen können und an sie ein gegebenenfalls substituierter Benzol- oder ein gegebenenfalls substituierter Naphthalinring ankondensiert sein kann; R2 gegebenenfalls substituiertes Alkyl, Alkenyl, gegebenenfalls substituiertes Cycloalkyl, gegebenenfalls substituiertes Aryl, gegebenenfalls substituiertes Aralkyl.In formula (I): T 0 or NR4, where R4 is hydrogen, if appropriate substituted alkyl or optionally substituted aryl; R1 one over a carbon atom bonded carbo- or heterocyclic 5- or 6-membered ring or a 5- or 6-membered heterocyclic ring bonded via an N atom, which leads to an axis passing through the coumarin-N-heterocycle is rotationally asymmetrical, wherein said 5- or 6-membered rings carry non-ionic substituents can and on them an optionally substituted benzene or an optionally substituted naphthalene ring can be fused on; R2 optionally substituted Alkyl, alkenyl, optionally substituted cycloalkyl, optionally substituted Aryl, optionally substituted aralkyl.
R1 steht bevorzugt für einen 5- oder 6-gliedrigen heterocyclischen Ring, der 1, 2 oder 3 Heteroatome aus der Reihe N, O, S enthält und an den ein Benzolring ankondensiert sein kann, wobei sowohl der heterocyclische Ring wie auch der ankondensierte Benzolring durch beispielsweise Alkyl, Aryl, Aralkyl, Cycloalkyl, Halogen, Alkoxy, Cyan und Acyl substituiert sein können.R1 preferably represents a 5- or 6-membered heterocyclic Ring which contains 1, 2 or 3 heteroatoms from the series N, O, S and to which a benzene ring may be fused, both the heterocyclic ring and the fused Benzene ring by, for example, alkyl, aryl, aralkyl, cycloalkyl, halogen, alkoxy, Cyan and acyl can be substituted.
Als Beispiele für R1 in der Bedeutung eines 5- oder 6-gliedrigen heterocyclischen Ringes an den ein Benzolring ankondensiert sein kann, seien genannt: Pyrazol, Imidazol, Thiazol, Oxazol, 1.2.4-Triazol, 1.3.4-Oxdiazol, 1.3.4-Thiadiazol, Benzimidazol, Benzthiazol, Benzoxazol, Pyridin.As examples of R1 meaning a 5- or 6-membered heterocyclic Ring to which a benzene ring can be fused may be mentioned: pyrazole, imidazole, Thiazole, oxazole, 1.2.4-triazole, 1.3.4-oxdiazole, 1.3.4-thiadiazole, benzimidazole, Benzthiazole, benzoxazole, pyridine.
Besonders bevorzugt steht R1 für einen heterocyclischen Rest der Formel in der Y O, NR5 oder S bezeichnet, wobei R5 für Wasserstoff, Alkyl, Aryl, Cycloalkyl oder Aralkyl steht und der Ring A durch vorzugsweise 1 bis 2 Substituenten aus der Reihe C1-C4-Alkyl, C1-C4-Alkoxy, Brom, Chlor, Phenyl, Cyclohexyl, C1-C4-Alkylsulfonyl, Sulfamoyl oder C1-C4-Alkoxycarbonyl substituiert sein kann.R1 particularly preferably represents a heterocyclic radical of the formula denotes in the YO, NR5 or S, where R5 stands for hydrogen, alkyl, aryl, cycloalkyl or aralkyl and the ring A has preferably 1 to 2 substituents from the series C1-C4-alkyl, C1-C4-alkoxy, bromine, chlorine , Phenyl, cyclohexyl, C1-C4-alkylsulfonyl, sulfamoyl or C1-C4-alkoxycarbonyl can be substituted.
Alkyl (R4,R5,R2 und als nicht-ionogener Substituent der 5- oder 6-gliedrigen Ringe R1) steht bevorzugt für C1-C6-Alkyl. g Alkenyl (R2) steht bevorzugt für C2-C7-Alkenyl, insbesondere Allyl.Alkyl (R4, R5, R2 and as a non-ionic substituent of the 5- or 6-membered Rings R1) preferably represents C1-C6-alkyl. g alkenyl (R2) preferably represents C2-C7-alkenyl, especially allyl.
Aryl (R4,R5,R2 und als nicht-ionogener Substituent der 5- oder 6-gliedrigen Ringe R1) steht bevorzugt für Phenyl.Aryl (R4, R5, R2 and as a non-ionic substituent of the 5- or 6-membered Rings R1) preferably represents phenyl.
Cycloalkyl (R2, R5 und als nicht-ionogener Substituent der 5- oder 6-gliedrigen Ringe R1) steht bevorzugt für C3-C7-Cycloalkyl, besonders bevorzugt für Cyclohexyl.Cycloalkyl (R2, R5 and, as a non-ionic substituent, the 5- or 6-membered rings R1) preferably represents C3-C7-cycloalkyl, particularly preferred for cyclohexyl.
Aralkyl (R2,R5 und als nicht-ionogener Substituent der 5- oder 6-gliedrigen Ringe R1) steht bevorzugt für Benzyl und Phenethyl.Aralkyl (R2, R5 and as a non-ionic substituent of the 5- or 6-membered Rings R1) preferably represents benzyl and phenethyl.
Acyl (R1) steht bevorzugt für (C1-C6-Alkyl)-carbonyl, Benzoyl, C1-C6-Alkylsulfonyl und Phenylsulfonyl.Acyl (R1) preferably represents (C1-C6-alkyl) carbonyl, benzoyl, C1-C6-alkylsulfonyl and phenylsulfonyl.
Halogen als nicht-ionogener Substituent der 5- oder 6-gliedrigen Ringe R1 steht bevorzugt für Chlor, Brom und Fluor.Halogen as a non-ionic substituent on the 5- or 6-membered rings R1 preferably represents chlorine, bromine and fluorine.
Alkoxy als nicht-ionogener Substituent der 5- oder 6-gliedrigen Ringe R1 steht bevorzugt für C1-C6-Alkoxy.Alkoxy as a non-ionic substituent on the 5- or 6-membered rings R1 preferably represents C1-C6-alkoxy.
Substituiertes Alkyl (R2,R4) steht für Alkyl, das beispielsweise durch Halogen wie Chlor und Brom, Hydroxyl, Cyan, Trifluormethyl, cl -C6-Alkoxy, C1-C6-Alkylsulfonyl, Phenylsulfonyl, durch C1-C6-Alkyl und Phenyl mono- und disubstituiertes Carbamoyl, Carbamoyl, Sulfamoyl, durch C1-C6-Alkyl und Phenyl mono- und disubstituiertes Sulfamoyl und durch Cl-C6-Alkyl und Phenyl mono- oder disubstituiertes Amino, substituiert sein kann.Substituted alkyl (R2, R4) represents alkyl, for example by Halogen such as chlorine and bromine, hydroxyl, cyano, trifluoromethyl, cl -C6-alkoxy, C1-C6-alkylsulfonyl, Phenylsulfonyl, carbamoyl mono- and disubstituted by C1-C6-alkyl and phenyl, Carbamoyl, sulfamoyl, sulfamoyl mono- and disubstituted by C1-C6-alkyl and phenyl and amino mono- or disubstituted by C1-C6-alkyl and phenyl can be.
Substituiertes Aryl (R2, R4) substituiertes Cycloalkyl (R2) und substituiertes Aralkyl (R2) steht für Aryl, Cycloalkyl oder Aralkyl,(R2) steht für Aryl, Cycloalkyl oder Aralkyl, die neben den vorstehend für Alkyl genannten Substituenten beispielsweise noch durch C1-C6-Alkyl substituiert sein können.Substituted aryl (R2, R4), substituted cycloalkyl (R2) and substituted Aralkyl (R2) stands for aryl, cycloalkyl or aralkyl, (R2) stands for aryl, cycloalkyl or aralkyl, in addition to the substituents mentioned above for alkyl, for example can also be substituted by C1-C6-alkyl.
R2 bedeutet bevorzugt gegebenenfalls durch Acetoxy, C1-C4-Alkoxy, Phenoxy, Cyclohexyloxy, Phenyl-C1 -C2-alkoxy, Brom oder Chlor substituiertes C1-C5-Alkyl, Allyl, Cyclohexyl oder Phenyl-C1-C2-alkyl.R2 preferably denotes optionally by acetoxy, C1-C4-alkoxy, Phenoxy, cyclohexyloxy, phenyl-C1-C2-alkoxy, bromine or chlorine-substituted C1-C5-alkyl, Allyl, cyclohexyl or phenyl-C1-C2-alkyl.
Bevorzugt als Lichtwandler verwendbar sind Farbstoffe der Formel in der R2 C1-C4-Alkyl, insbesondere Methyl und Ethyl, YX O, NR; oder S bezeichnen, wobei R51 C1-C4-Alkyl, insbesondere Methyl oder Phenyl bezeichnet und der Ring A' durch C1-C4-Alkyl, insbesondere Methyl, C1-C4-Alkoxy, insbesondere Methoxy, Halogen, insbesondere Chlor, Alkylsulfonyl, insbesondere Methylsulfonyl und Sulfamoyl substituiert sein kann.Dyes of the formula can preferably be used as light converters in R2 C1-C4-alkyl, in particular methyl and ethyl, YX O, NR; or S denote, where R51 denotes C1-C4-alkyl, in particular methyl or phenyl, and the ring A 'denotes C1-C4-alkyl, in particular methyl, C1-C4-alkoxy, in particular methoxy, halogen, in particular chlorine, alkylsulfonyl, in particular methylsulfonyl and sulfamoyl may be substituted.
Ein Verfahren zur Herstellung von Farbstoffen der Formel (I) ist dadurch gekennzeichnet, daß man Verbindungen der Formel worin R1,R2 und Z die oben angegebene Bedeutung besitzen, in einem polaren organischen Lösungsmittel in an sich bekannter Weise (vgl. DE-OS 2 844 299) mit Cyanidsalzen umsetzt und gleichzeitig oder nachträglich t mit Oxidationsmitteln behandelt.A process for the preparation of dyes of the formula (I) is characterized in that compounds of the formula in which R1, R2 and Z have the meaning given above, are reacted with cyanide salts in a polar organic solvent in a manner known per se (cf. DE-OS 2 844 299) and treated simultaneously or subsequently with oxidizing agents.
Geeignete polare organische Lösungsmittel sind Alkohole, wie Methanol, Ethanol, Isopropanol, 2-Methoxy-ethanol, 2-Ethoxy-ethanol, Ethylenglykol, 2-Cyan-ethanol, insbesondere aber dipolar aprotische organische Lösungsmittel wie Dimethylformamid, sowie Pyridin und Picoline Eine Zwischenisolierung des Cyanid-Anlagerungsproduktes ist nicht erforderlich.Suitable polar organic solvents are alcohols such as methanol, Ethanol, isopropanol, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, ethylene glycol, 2-cyanoethanol, but especially dipolar aprotic organic solvents such as dimethylformamide, as well as pyridine and picolines An intermediate isolation of the cyanide addition product not necessary.
Geeignete Oxidationsmittel sind beispielsweise Luftsauerstoff Wasserstoffperoxid, Persulfate, Perborate, Salpetersäure, Brom, Sulfurylchlorid, Bleitetraacetat und Chloranil.Suitable oxidizing agents are, for example, atmospheric oxygen, hydrogen peroxide, Persulfates, perborates, nitric acid, bromine, sulfuryl chloride, lead tetraacetate and Chloranil.
Als Cyanidsalze verwendet man vorteilhaft wasserlösliche, Cyanide insbesondere Alkali'cyanide.Water-soluble cyanides are advantageously used as cyanide salts especially alkali cyanides.
Die Umsetzung von Cyanidsalzen wird im Temperaturbereich von 0 bis 1200C, vorzugsweise bei 10 bis 600C, und die Oxidation im Bereich von -5 bis 30°C, vorzugsweise bei O bis 150C, durchgeführt.The implementation of cyanide salts is in the temperature range from 0 to 1200C, preferably at 10 to 600C, and the oxidation in the range from -5 to 30 ° C, preferably carried out at 0 to 150C.
Die Ausgangsfarbstoffe der Formel (IV) sind bekannt oder nach bekannten Verfahren herzustellen.The starting dyes of the formula (IV) are known or known Process to manufacture.
Einschlägige Patentpublikationen sind beispielsweise US 3 014 041, 3 288 801, 3 496 188, 3 816 413, 3 839 333, 3 669 621, 3 704 302, 3 839 351, 3 776 905, 3 968 119, 4 055 568 sowie GB 1 269 004, 1 313 253 und 1 318 975.Relevant patent publications are, for example, US 3,014,041, 3,288,801, 3,496,188, 3,816,413, 3,839,333, 3,669,621, 3,704,302, 3,839,351, 3,776 905, 3 968 119, 4 055 568 and GB 1 269 004, 1 313 253 and 1 318 975.
Die neuen Lichtsammelsysteme, bei denen es sich um Formkörper geeigneter Geometrie, d.h. optische Systeme handelt, bei denen das Verhältnis von Emissions- zu Absorptionsfläche 1:50 bis 1:2000 betragen kann, sind geeignet, einfallende diffuse elektromagnetische Strahlung zu absorbieren und sie in einem gegenüber der Umgebung optisch dichteren Medium nahezu verlustlos zu emittieren, wodurch der Hauptteil des Emissionslichtes total reflektiert im Medium verbleibt.The new light collection systems, which are molded bodies more suitable Geometry, i.e. optical systems in which the ratio of emission to absorption area 1:50 to 1: 2000, are suitable, incident diffuse to absorb electromagnetic radiation and put it in an opposite direction to the environment optically denser medium to emit almost lossless, making the main part of the emission light remains totally reflected in the medium.
Nur der Anteil aus emittierten Lichts, dessen Emissionsbande weitgehend frei von Absorption ist, ist für den erfindungsgemäßen Zweck nutzbar.Only the portion of emitted light, the emission band of which is largely is free from absorption is useful for the purpose of the invention.
Daher ist es zweckmäßig, die Farbstoffe der Formel (I) vor Einsatz in die Lichtsammelsysteme besonders zu reinigen. Insbesondere müssen sie weitgehend frei sein von langwellig absorbierenden Verunreinigungen.It is therefore advisable to use the dyes of the formula (I) before use in the light collecting systems especially to clean. In particular, they must be largely be free of long-wave absorbing impurities.
Die Erfindung betrifft demnach bevorzugt Lichtsammelsysteme, die dadurch gekennzeichnet sind, das sie einen Farbstoff der Formel (I) enthalten, der in einer 0,05 %-igen Lösung, beispielsweise in Chloroform, gemessen in einer Schichtdicke von 10 cm, einen Anstieg der Transmission von 0 % auf> 90 % bei einer Änderung der Wellenlänge von 25 bis 100 nm, vorzugsweise 25 bis 45 nm aufweisen.The invention therefore preferably relates to light collection systems that thereby are characterized in that they contain a dye of the formula (I) in a 0.05% solution, for example in chloroform, measured in a layer thickness of 10 cm, an increase in transmission from 0% to> 90% with a change the wavelength of 25 to 100 nm, preferably 25 to 45 nm.
Die Reinigung der Farbstoffe kann in günstigen Fällen durch mehrfache sorgfältige Kristallisation erfolgen.The cleaning of the dyes can in favorable cases by multiple careful crystallization take place.
Zumeist ist eine säulenchromatographische Trennung an festen Trägern wie Al203 oder SiO2 erforderlich. Besonders schonend erhält man hohe Reinheitsgrade verteilungschromatographisch, z.B. durch Steady-Ståte-{O'Keefe)-oder Gegenstromverteilung nach Craig.It is usually separated by column chromatography on solid supports like Al203 or SiO2 required. A high degree of purity is obtained particularly gently by distribution chromatography, e.g. by Steady-Ståte (O'Keefe) or countercurrent distribution after Craig.
Die neuen Lichtsammelsysteme können z.B. in Verbindung mit Solarzellen zur Nutzbarmachung der Sonnenenergie und in Szintillatoren bekannter Art (s. z.B. J.B. Birks: ! The Theory and Practice of Scintillation Counting (Pergamon Press, London 1964); J. Opt. Am. 39, 912 (1949); J. Appl. Phys. 40, 3544 (1969); Nuclear Instruments a. Methods 87, 111-123 (1970); Research Disclosure, S. 43 (1977); DE-OS 2 629 641) Verwendung finden. Darüber hinaus eignen sie sich in Verbindung mit elektronischen Steuerungen als Anzeigevorrichtungen mit sehr geringem Energieverbrauch, und weiterhin eignen sie sich ohne elektronische Bauteile für vielerlei Anzeige-, Hinweis- und Markierungszwecke, z.B. in passiven Anzeigeelementen, Hinweis- und Verkehrszeichen wie Ampeln.The new light collection systems can e.g. in connection with solar cells for harnessing solar energy and in scintillators of a known type (see e.g. J.B. Birks:! The Theory and Practice of Scintillation Counting (Pergamon Press, London 1964); J. Opt. Am. 39, 912 (1949); J. Appl. Phys. 40: 3544 (1969); Nuclear Instruments a. Methods, 87: 111-123 (1970); Research Disclosure, p. 43 (1977); DE-OS 2 629 641) find use. In addition, they are suitable in conjunction with electronic controls as display devices with very low energy consumption, and they are also suitable for all kinds of display, Information and marking purposes, e.g. in passive display elements, information and Traffic signs like traffic lights.
Die erfindungsgemäßen Lichtsammelsysteme enthalten den Farbstoff in einer Flüssigkeit oder einem Festkörper gelöst, wobei je nach Einsatzgebiet des Lichtsammelsystems, verschiedenste geometrische Formen in Frage kommen. Geeignete feste Medien wie sie z.B. zum Sammeln von Licht in Verbindung mit Solarzellen und in passiven Anzeigeelementen eingesetzt werden sind z.B. lichtdurchlässige, optisch verwendbare Kunststoffe wie Homo- und Copolymerisate der Acrylsäure(derivate) oder Polycarbonate. Des weiteren können die Lichtsammelsysteme den Farbstoff auch in einer Flüssigkeit - z.B.The light harvesting systems of the invention contain the dye in a liquid or a solid dissolved, depending on the area of application of the Light collection system, a wide variety of geometric shapes come into question. Suitable solid media such as those used for collecting light in connection with solar cells and Are used in passive display elements are e.g. translucent, optical Usable plastics such as homo- and copolymers of acrylic acid (derivatives) or Polycarbonates. Furthermore, the light harvesting systems can also use the dye in a liquid - e.g.
Alkohol, Reton, Halogenkohlenwasserstoff, Ether -gelöst enthalten. Gut geeignete Lösungsmittel sind z.B. Ethanol, Propanol, Methyl-ethyl-keton, Aceton, Cyclohexanon, Chloroform, Perchlorethylen, Glykolmonomethylether.Contains alcohol, reton, halogenated hydrocarbons, ethers in solution. Suitable solvents are e.g. ethanol, propanol, methyl ethyl ketone, acetone, Cyclohexanone, chloroform, perchlorethylene, glycol monomethyl ether.
Die Verwendung der Farbstoffe der Formel (I) in Feststoffen ist bevorzugt.The use of the dyes of the formula (I) in solids is preferred.
Die erfindungsgemäße Verwendung der Farbstoffe der Formel (I) ist in hohem Maße.vorteilhaft, da sie neben einer guten Quantenausbeute und einem hohen Verstärkungsfaktor ausgezeichnete Lichtechtheit aufweisen und damit eine ökonomische Verwendbarkeit der neuen Lichtsammelsysteme gewährleisten. Das besondere Kennzeichen dieser Stoffklasse ist der auch bei langwelliger Absorption sehr große Stokes-Shift bei gleichzeitig sehr guter Lichtechtheit.The use according to the invention of the dyes of the formula (I) is to a high degree. advantageous, as they have a good quantum yield and a high Gain factor have excellent lightfastness and thus an economic one Ensure usability of the new light collection systems. The special feature of this class of substances is the very large Stokes shift, even with long-wave absorption with very good lightfastness at the same time.
Es muß als überraschend bezeichnet werden, daß die Farbstoffe der Formel (I) sich zur vorteilhaften Verwendung in Lichtsammelsystemen eignen, da zahlreiche s-ark fluoreszierende Farbstoffe wie z.B.It must be described as surprising that the dyes of Formula (I) are suitable for advantageous use in light harvesting systems, as numerous s-ark fluorescent dyes such as
Rhodamin G nicht brauchbar sind. Ebenso sind die schon sehr weitgehenden Forderungen, die an die optische Qualität von Laserfarbstoffen gestellt werden, in vielen Fällen nicht ausreichend, um die Verwendung dieser Farbstoffe in Lichtsammelsystemen zu empfehlen.Rhodamine G are not useful. They are also very far-reaching Requirements placed on the optical quality of laser dyes in many cases insufficient to make use of these dyes in light harvesting systems to recommend.
Beispiel 1 19,2 g @ 6-Methoxy-@-(Benzthiazolyl-2-) 4-cyano-7-ethoxycumarin werden in 1200 ml Dichlorbenzol gelöst und mit 0,5 g Tonsil versetzt. Es wird heiß filtriert und nach Abkühlen erhält man 15,1 g Kristalle. Diese Kristallisation wird zweimal wiederholt, wobei bei der letzten das Tonsil fortgelassen wird. Die gelben Kristalle haben den Fp 3020C.Example 1 19.2 g of @ 6-methoxy - @ - (benzthiazolyl-2-) 4-cyano-7-ethoxycoumarin are dissolved in 1200 ml of dichlorobenzene and mixed with 0.5 g of Tonsil. It's getting hot filtered and, after cooling, 15.1 g of crystals are obtained. This crystallization will repeated twice, omitting the tonsil in the last. The yellow ones Crystals have a melting point of 3020C.
488 mg der so erhaltenen Verbindung werden in 1 1 Chloroform gelöst
und es wird in einer Schichtdicke von 10 cm die Transmission T gemessen. Die Durchlässigkeit
beträgt 0 % bei 550 nm und bei 580 nm 92 %. Die Fluoreszenzquantenausbeute i beträgt
1,00, der Stokes-Shift 135 nm und der Anteil der nutzbaren Fluoreszenz 88 %. Unter
dem "Anteil der nutzbaren Fluoreszenz" versteht man den Prozentanteil des ursprünglich
ermittierten Fluoreszenzlichtes, der nicht durch Reabsorption verlorengeht.
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