JP2020511307A - テトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解による1,5−ペンタンジオールの調製のための触媒、その調製方法、およびその利用 - Google Patents

テトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解による1,5−ペンタンジオールの調製のための触媒、その調製方法、およびその利用 Download PDF

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Abstract

本発明は、テトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解によって1,5−ペンタンジオールを調製する方法を提供する。この方法で使用される触媒は、貴金属および促進剤を有機ポリマー担体または無機ハイブリッド材料担体上に担持することによって調製され、担体は窒素含有リガンドによって官能化される。触媒をテトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解に使用して1,5−ペンタンジオールを調製する場合、良好な反応活性および高い選択性を達成することができる。担体中の促進剤および窒素含有リガンドは、配位を介して触媒に結合し、それによって促進剤の損失が著しく減少し、触媒は特に高い安定性を有する。何度も再使用、または長期間、連続的に使用された触媒の寿命調査より、触媒は性能に明白な変化を有さず、従って、プロセス全体の製造コストを低減することを示唆する。

Description

本発明は、触媒技術および有機合成の分野に関し、より具体的には、窒素含有リガンドによって官能化された担体を用いた担持触媒の調製、およびバイオマス誘導体テトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解による1,5−ペンタンジオールの調製方法に関する。
1,5−ペンタンジオールは、奇数個の炭素原子を有する二価第一級アルコールである。これは、主に、ポリエステルポリオール、潤滑剤を合成するために使用されるエステル、ポリウレタンフォームプラスチック、エラストマー、可塑剤、飽和/不飽和ポリエステル樹脂、粉末コーティング、インク、香料などの製造に使用される。
特許CN1565728 は、銅−亜鉛−アルミニウム触媒の作用下で、原料として使用されるグルタル酸ジメチルの水素化反応によって1,5−ペンタンジオールを調製する方法を開示している。特許CN102320923 は、生成物1,5−ペンタンジオールを調製する方法を開示している。この方法は、二塩基性エステルを精製および分離して、コハク酸ジメチル、グルタル酸ジメチルおよびアジピン酸ジメチルを得、水素化反応器中でグルタル酸ジメチルおよび水素の水素化反応によって1,5−ペンタンジオールの粗生成物を調製し、粗生成物を脱色および濾過して生成物1,5−ペンタンジオールを得ることを含む。この方法では、アジピン酸の調製の副生成物であるグルタル酸のエステル化から、グルタル酸ジメチルが主として誘導される。従って、アジピン酸産業および供給源の欠如によってだけではなく、蒸留、精製、水素化、分離および精製などを含むいくつかの工程を含む長いプロセスの必要性によって、1,5−ペンタンジオールの生成は制限される。
特許CN101225022 およびCN101270032 は、グルタルアルデヒドの1,5−ペンタンジオールへの水素化反応を触媒するために、それぞれ担持Ni触媒および担持Ru触媒を使用することを開示している。現在、グルタルアルデヒドは、ビニルエーテルとプロペナールを接触縮合反応、次いで加水分解することによって得られる。ビニルエーテルは、非常に不安定であり、強い爆発性を持つため、高いセキュリティリスクを有する。また、原料であるグルタルアルデヒドは、資源が少なく、価格も高い。
バイオマス誘導体フルフラールは、北中国および山東省で大量に生産され、多種多様な供給源、大量の埋蔵量などの利点を有する、トウモロコシコブ、バガスなどの農業廃棄物から調製することができる。フルフラールおよびその誘導体を原料として各種化学物質の合成に使用することは、コストが低く、環境にやさしく、ますます注目されている。近年、安価なフルフラール、フルフリルアルコールおよびテトラヒドロフルフリルアルコールの接触水素化分解によって1,5−ペンタンジオールを調製する経路について多くの研究が行われている。これらは、以下のように具体的に説明される:
1)フルフラールを予備水素化してフルフリルアルコールを得る。その後、高温高圧条件下(175℃、10〜15MPa)で亜クロム酸銅を触媒としてフルフリルアルコールを水素化処理したところ、1,5−ペンタンジオールの収率は約30%と低かった(J. Am. Chem. Soc.,1931,53,1091)。Lu Guanzhongの研究グループは、フルフラールを原料とし、Pt/CoAlOを触媒とし、穏やかな条件(140℃、1.5MPa)での接触水素化によって1,5−ペンタンジオールを調製する手法の開発に成功し、24時間後に40%以下の収率の1,5−ペンタンジオールと錯体副産物(Chem. Comm.,2011,47,3924-3926、およびCN102134180)を得た。特許CN102872897 は、水素型超安定Yモレキュラーシーブ(H−USY)担持Pt触媒を使用し、反応の促進剤として塩酸を使用することによって1,5−ペンタンジオールを調製することを開示しており、反応は120℃および1.5MPaで実施される;24時間の反応後に82.6%までの収率で1,5−ペンタンジオールが得られるが、触媒の活性は依然として十分に高くなく、塩酸の存在は深刻な腐食問題を引き起こす。
2)テトラヒドロフルフリルアルコールは、完全な水素化によって得ることができる。以前の文献には、テトラヒドロフルフリルアルコールから1,5−ペンタンジオールを合成するには、最初に、Alの作用下でテトラヒドロフルフリルアルコールからジヒドロピランを製造し、次に、ジヒドロピランを加水分解して5−ヒドロキシルバレルアルデヒドを得て、最後に、亜クロム酸銅触媒を用いて5−ヒドロキシルバレルアルデヒドを水素化するという3つの工程が必要であることが開示されている。生成物選択性が低いという問題は、この方法によって克服されるが、各工程において分離および精製を必要とし、従って、反応工程が複雑になる(J. Am. Chem. Soc.,1946,68,1646)。回分槽式反応器を用いて120℃、8MPaの条件下で行われるテトラヒドロフルフリルアルコールの一工程水素化分解による1,5−ペンタンジオールの調製において、テトラヒドロフルフリルアルコールを原料とし、Rh/SiO触媒、またはRe,MoまたはWにより促進されるIr/SiO触媒を用いて、24時間の反応時間後に変換率90%以上、選択率90%以下を達成できることが、日本の富重研究所で初めて報告されている。しかしながら、触媒の再使用過程で、触媒活性は著しく低下している。転化率は、触媒の最初の使用において79%に達するが、触媒の5回目の使用においては64.5%に減少する(Chem. Commum.,2009,45,2035-2037、J. Catal.,2009,267,89-92、J. Catal.,2012,294,171-183)。CN103848719 は、V,NbまたはTaによって促進されたIr/SiO触媒がテトラヒドロフルフリルアルコールの一工程水素化分解に対して活性を有し、1,5−ペンタンジオールを生成することを開示している;固定床反応器中、80℃および6MPaの反応条件下で、1,5−ペンタンジオールに対して選択率は約90%であり、転化率は60%以下である。前記プロセスルートと比較して、テトラヒドロフルフリルアルコールの一工程水素化分解による1,5−ペンタンジオールの製造プロセスルートは単純であり、原料の転化率および目的生成物1,5−ペンタンジオールの選択率は高い。この方法のルートの不足点は、触媒活性が依然として十分に高くなく、促進剤(Re,MoまたはWなど)が使用中に失われ、触媒の失活をもたらすことである。このため、触媒を何度も再使用したり、長時間、連続使用したりすることができず、工程全体の製造コストが高すぎる。特許CN103071512 は、1,5−ペンタンジオールを製造するためのテトラヒドロフルフリルアルコールの一工程水素化分解において、Re,MoまたはWによって促進されたラネー(Raney)CoまたはCu触媒を使用している;貴金属は使用されていないが、触媒の性能は悪く;120℃および8MPaで回分式反応器中にて、24時間反応させた後、変換率は10%以下であり、1,5−ペンタンジオールの選択率は46.7%である。
本発明は、テトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解によって1,5−ペンタンジオールを調製するための触媒、その調製方法および使用方法を提供する。本発明の特定の実施例における触媒は、良好な安定性および長い耐用年数の特性を有し、1,5−ペンタンジオールを調製するためのテトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解反応において高い活性および選択性を示す。
本発明は、以下の技術的解決策を採用する:
テトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解によって1,5−ペンタンジオールを調製するために使用される触媒であって、当該触媒は、担体と、担体上に担持された活性成分と、担体上に担持された促進剤とを含み、担体は、窒素含有リガンドでグラフト(grafted)されたポリスチレン、または窒素含有リガンドでグラフトされたシリカゲルであり、当該活性成分は、金属元素Rh、Ir、Pt、Pd、Ru、Auなどのうちのいずれか1つ以上であり、前記促進剤は、金属元素Re、Mo、W、V、Nb、Ta、Mn、Snなどのうちのいずれか1つ以上である触媒。窒素含有リガンドでグラフトされた前記ポリスチレン中の窒素含有リガンドは、イミダゾール、ピリジン、ビピリジンおよび1,10−フェナントロリンのいずれか1つであり、窒素含有リガンドでグラフトされた前記シリカゲル中の窒素含有リガンドは、イミダゾール、ピリジン、ビピリジンおよび1,10−フェナントロリンのいずれか1つである。触媒の総重量に基づいて、前記活性成分は、0.05〜10重量%、好ましくは1〜5重量%の量で担持され、活性成分、促進剤および窒素含有リガンドのモル比は、1:(0.01〜2):(0.05〜4)、好ましくは1:(0.05〜1):(0.1〜2)である。
好ましくは、窒素含有リガンドでグラフトされた前記ポリスチレンは、以下の構造式を有する:
好ましくは、窒素含有リガンドでグラフトされた前記シリカゲルは、以下の構造式を有する:
触媒を調製する方法であって、等尺性含浸用の活性成分の水溶性塩の水溶液に担体を加え、80〜120℃で6〜24時間乾燥し、さらに等尺性含浸用に、促進剤の水溶性塩の水溶液をさらに用い、含浸させた担体を80〜120℃で6〜24時間乾燥して触媒を得る。
活性成分の可溶性塩は、塩化ロジウム、クロロイリジン酸、クロロ白金酸、塩化パラジウム、塩化ルテニウム、およびクロロ尿酸のうちの1つ以上から選択され;促進剤の可溶性塩は、レニウム酸アンモニウム、モリブデン酸アンモニウム、メタタングステン酸アンモニウム、バナジン酸アンモニウム、酒石酸ニオブ、酒石酸タンタル、酢酸マンガン、および塩化スズのうちの1つ以上から選択される。
触媒を用いたテトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解による1,5−ペンタンジオールの製造方法であって、触媒は、使用前に、水素の存在下でその場で還元して触媒活性を有する必要があり、還元条件は、水素圧が0.1〜1MPa、好ましくは0.2〜0.4MPaであり、水素化分解触媒100g当たり、水素流量が0.2〜10L/分、好ましくは1〜5L/分であり、還元温度が50〜200℃、好ましくは100〜180℃であり、還元時間が1〜10時間、好ましくは2〜6時間である。反応を回分式反応器で行う場合、テトラヒドロフルフリルアルコール水溶液の質量濃度は5〜100%、触媒の使用量はテトラヒドロフルフリルアルコールの質量の1〜10重量%、反応温度は50〜150℃、好ましくは60〜120℃、水素圧は1〜20MPa(ゲージ圧)、好ましくは2〜10MPa、反応時間は2〜24時間、好ましくは2〜6時間である。固定床反応器中で反応を行う場合、テトラヒドロフルフリルアルコール水溶液の濃度は5〜100%、反応温度は50〜150℃、好ましくは60〜120℃、水素圧は1〜20MPa(ゲージ圧)、好ましくは2〜10MPa、固定床反応器中のテトラヒドロフルフリルアルコール供給液/触媒の質量空間速度は0.5〜4h−1、好ましくは1〜3h−1、水素/触媒の体積空間速度は500〜1500h−1、好ましくは800〜1200h−1である製造方法。
テトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解による1,5−ペンタンジオールの製造方法における触媒の使用。
本発明の特定の実施例における触媒は、以下の有益な作用を有する:
触媒をテトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解に使用して1,5−ペンタンジオールを調製する場合、良好な反応活性および高い選択性を達成することができる。促進剤は、担体中の窒素含有リガンドと配位することによって触媒に結合し、それによって促進剤の損失が著しく減少し、触媒の安定性が非常に良好である。多数回の再使用、または長期間連続的に使用された触媒の寿命の調査は、触媒が性能に明白な変化を有さず、従って、プロセス全体の製造コストを大幅に低減できることを示唆している。
以下、実施例を参照して本発明をさらに説明するが、本発明の範囲は以下の実施例に限定されるものではないことに留意されたい。
原料であるテトラヒドロフルフリルアルコールは、Zibo Hua'ao Chemical Co.,Ltd.から購入し、活性成分の可溶性塩(以下、貴金属Mの可溶性塩(塩化ロジウム、クロロイリジン酸、クロロ白金酸、塩化パラジウム、塩化ルテニウム、クロロ尿酸)と称する)、および促進剤Pの可溶性塩(レニウム酸アンモニウム、モリブデン酸アンモニウム、メタタングステン酸アンモニウム、バナジン酸アンモニウム、塩化ルテニウム、酒石酸ニオブ、酒石酸タンタル、酢酸マンガン、および塩化スズ)は、Sinopharm Group Chemical Reagents Co.,Ltd.から購入した。担体S、即ち、窒素含有リガンド(イミダゾール、ピリジン、ビピリジン、1,10−フェナントロリン)でグラフトされたポリスチレンおよびシリカゲルを、Sigma-Aldrich Reagent Companyから購入した(それぞれ、製品番号は、549363(m=1240、n=320)、192074(m=960,n=400)、589993(m=1070、n=530)、561878(m=1150,n=670);56760(x=7300、y=390)、537985(x=6500、y=460)、537950(x=8000、y=710)、569798(x=7100、y=650))。
これらの構造式をそれぞれ以下に示す:
以下の実施例において、使用される「%」は特に断りがない限り、「モルパーセンテージ」である。
以下の実施例において使用される試験機器として、DB−5キャピラリークロマトグラフィーカラム(5%フェニルメチルシロキサン、30m×0.32mm×0.25μm)および水素炎検出器(FID)を使用するShimadzu GC-2010ガスクロマトグラフ(水素炎検出器、キャリアガスとして窒素を使用)が、気相分析のために使用される。注入器と検出器の温度は共に280℃であり、カラム温度は温度プログラムによって制御される:最初のカラム温度を100℃で0.5分間維持し、次いで温度を15℃/分の速度で260℃に上げ、そして260℃で5分間維持する。カラム圧力は8.5868psiであり、流速は1.5mL/分である。注入容量:0.2μL。変換率および選択性は、面積正規化法を用いて計算される。
実施例1〜24:触媒調製
調製は、段階的に等尺性含浸を用いて行った。先ず、貴金属M(Rh、Ir、Pt、Pd、Ru、Au)の水溶性塩(塩化ロジウム、クロロイリジン酸、クロロ白金酸、塩化パラジウム、塩化ルテニウム、クロロ金酸)を水溶液として別々に調製した。前記調製した水溶液に、表1の比率で粉末状の担体Sを添加し、混合物を均一に混合するまで撹拌した。担体Sに室温で12時間含浸させた後、120℃で12時間乾燥させた。次に、促進剤P(Re、Mo、W、V、Nb、Ta、Mn、Sn)の水溶性塩(レニウム酸アンモニウム、モリブデン酸アンモニウム、メタタングステン酸アンモニウム、バナジン酸アンモニウム、酒石酸ニオブ、酒石酸タンタル、酢酸マンガン、および塩化スズ)を水溶液として別々に調製し、表1の比率に従って、貴金属M構成要素を含浸させた前記含浸させた担体Sに加え、混合物を均一に混合するまで攪拌した。室温で12時間含浸させた後、含浸させた担体Sを120℃で12時間乾燥させ、活性成分の含有量が異なる触媒を得た。
実施例28〜54:触媒評価−回分式反応器
本発明の触媒評価は、5000mLの反応器容積を有し、ステンレス鋼製の回分式反応器中で行った。一定量の触媒を反応器に添加し、還元温度150℃、水素圧0.3MPa、水素流量1.5L/分で、触媒をその場で4時間還元した。還元後、温度を反応温度まで下げ、一定濃度のテトラヒドロフルフリルアルコール水溶液3000gを加え、温度を反応温度に調整し、一定圧力の水素を反応器に入れて反応を行った。反応は、一定時間後に完了した。具体的な反応条件は、表2に示した。温度を下げ、圧力を解放した後、液体試料を採取した。液体試料を、前記のようにDB−5キャピラリーカラムおよび火炎イオン化検出器(FID)を備えたガスクロマトグラフを用いて分析した。
本発明の触媒を回分式反応器で再使用した。反応器中で前の反応が完了した後、反応液を反応器中に組み込まれたフィルターを通して除去し、触媒をその中に残した。一定濃度のテトラヒドロフルフリルアルコール水溶液3000gを反応器に再び加え、温度を反応温度に調整し、一定圧力の水素を反応器に入れて反応を行った。反応は、一定時間後に完了した。具体的な条件は、前記反応と同じであった。
表2から分かるように、テトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解反応において、異なる水素化分解触媒は、全て良好な活性と1,5−ペンタンジオール選択性とを示し、比較的短時間で高い転化率を得ることができる。特に、窒素含有リガンドでグラフトされた担体は、優れた触媒安定性を提供し、触媒活性は、10回の再使用後も実質的に維持されていた。
実施例55〜81:触媒評価−固定床反応器
本発明の触媒評価は、外径40mm、内径20mm、長さ1000mmのステンレス鋼管である固定床反応器中で行った。50gの触媒を反応器に装填した。反応の前に、装填した触媒を、還元温度150℃、水素圧0.3MPa、水素流量1.5L/分で、その場で4時間還元した。還元後、温度を反応温度まで下げ、水素/触媒の体積空間速度を1000h−1に設定し、テトラヒドロフルフリルアルコール水溶液の流量をテトラヒドロフルフリルアルコール供給液/触媒の所望の質量空間速度に調整し、圧力を所望の反応圧力に調整した。具体的な反応条件は、表3に示した。液体試料をオンラインで採取し、前記のようにDB−5キャピラリーカラムおよび火炎イオン化検出器(FID)を備えたガスクロマトグラフを用いて分析した。
表3から分かるように、固定床反応器において、異なる水素化分解触媒も、テトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解反応に対して良好な活性および1,5−ペンタンジオール選択性を示す。そして、これらの200時間の寿命試験に示されるように、窒素含有リガンドでグラフトされた担体は、優れた触媒安定性を提供する。
比較例1〜10:ポリスチレン担持触媒およびシリカゲル担持触媒の調製
本出願における触媒の利点をより良く具体化するために、担体として、窒素含有リガンドでグラフトしないで、ポリスチレンおよびシリカゲルを直接、使用することによって10個の代表的な触媒を調製した。即ち、金属および促進剤の含有量、調製方法および実施例は、それぞれ、1#、2#、10#、11#、13#、19#、21#、23#、26#および27#の触媒について記載したものと同じであった。
比較例11〜20:ポリスチレン担持触媒およびシリカゲル担持触媒の性能評価
本出願における触媒の利点をより良く具体化するために、比較例における触媒1−1#〜1−10#を回分式反応器で評価し、その評価条件は、実施例28〜54における触媒1#、2#、10#、11#、13#、19#、21#、23#、26#および27#について記載したものと同じであった。
表5から分かるように、窒素含有リガンドでグラフトしないで、ポリスチレンおよびシリカゲルによって直接、担持された触媒は、本出願で調製された触媒よりも活性および選択性が有意に劣っていた。また、活性は、再使用によって急速に低下し、安定性は不良であった。
前記は、本発明の好ましい一実施例であり、本発明の範囲はそれに限定されず、当業者であれば、本発明に開示された技術的範囲内の多くの他の変形形態または代替形態を認識可能である。そのような変形および代替は、特許を請求する本発明の範囲内に含まれる。

Claims (10)

  1. テトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解によって1,5−ペンタンジオールを製造するために使用される触媒であって、当該触媒は、担体と、担体上に担持された活性成分と、担体上に担持された促進剤とを含み、当該担体は、窒素含有リガンドでグラフトされたポリスチレン、または窒素含有リガンドでグラフトされたシリカゲルであり、当該活性成分は、金属元素Rh、Ir、Pt、Pd、RuおよびAuのいずれか1つ以上であり、前記促進剤は、金属元素Re、Mo、W、V、Nb、Ta、MnおよびSnのいずれか1つ以上であることを特徴とする触媒。
  2. 前記窒素含有リガンドでグラフトされた前記ポリスチレン中の窒素含有リガンドは、イミダゾール、ピリジン、ビピリジンおよび1,10−フェナントロリンのいずれか1つであり、窒素含有リガンドでグラフトされた前記シリカゲル中の窒素含有リガンドは、イミダゾール、ピリジン、ビピリジンおよび1,10−フェナントロリンのいずれか1つであることを特徴とする、請求項1に記載の触媒。
  3. 窒素含有リガンドでグラフトされた前記ポリスチレンは、以下の構造式を有する、請求項2に記載の触媒。
  4. 窒素含有リガンドでグラフトされた前記シリカゲルは、以下の構造式を有する、請求項2に記載の触媒。
  5. 前記触媒の総重量に基づいて、前記活性成分は0.05〜10重量%、好ましくは1〜5重量%の量で担持され、活性成分、促進剤および窒素含有リガンドのモル比は、1:(0.01〜2):(0.05〜4)、好ましくは1:(0.05〜1):(0.1〜2)であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の触媒。
  6. 等尺性含浸用の活性成分の水溶性塩の水溶液に担体を加え、80〜120℃で6〜24時間乾燥し、さらに等尺性含浸用に、促進剤の水溶性塩の水溶液をさらに用い、含浸させた担体を80〜120℃で6〜24時間乾燥して触媒を得ることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の触媒の、調製方法。
  7. 前記活性成分の可溶性塩は、塩化ロジウム、クロロイリジン酸、クロロ白金酸、塩化パラジウム、塩化ルテニウムおよびクロロ尿酸のうちの1つ以上から選択され、促進剤の可溶性塩は、レニウム酸アンモニウム、モリブデン酸アンモニウム、メタタングステン酸アンモニウム、バナジン酸アンモニウム、酒石酸ニオブ、酒石酸タンタル、酢酸マンガン、および塩化スズのうちの1つ以上から選択されることを特徴とする、請求項6に記載の触媒の調製方法。
  8. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の触媒を用いたテトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解による1,5−ペンタンジオールの製造方法であって、反応は回分式反応器中で行われ、テトラヒドロフルフリルアルコール水溶液の質量濃度は5〜100%であり、使用する触媒の量はテトラヒドロフルフリルアルコールの質量の1〜10重量%であり、反応温度は50〜150℃、好ましくは60〜120℃であり、水素圧は1〜20MPa、好ましくは2〜10MPaであり、反応時間は2〜24時間、好ましくは2〜6時間であることを特徴とする、製造方法。
  9. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の触媒を用いたテトラヒドロフルフリルアルコールの水素化分解による1,5−ペンタンジオールの製造方法であって、反応は固定床反応器中で行われ、テトラヒドロフルフリルアルコール水溶液の質量濃度は5〜100%であり、反応温度は50〜150℃、好ましくは60〜120℃であり、水素圧は1〜20MPa、好ましくは2〜10MPaであり、移動相反応器中のテトラヒドロフルフリルアルコール供給液/触媒の質量空間速度は0.5〜4h−1、好ましくは1〜3h−1であり、水素/触媒の体積空間速度は500〜1500h−1、好ましくは800〜1200h−1であることを特徴とする、製造方法。
  10. 前記触媒は、使用前に、水素の存在下でその場で還元される必要があり、還元条件における、水素圧は0.1〜1MPa、好ましくは0.2〜0.4MPaであり、触媒100g毎に水素流量は0.2〜10L/分、好ましくは1〜5L/分であり、還元温度は50〜200℃、好ましくは100〜180℃であり、還元時間は1〜10時間、好ましくは2〜6時間であることを特徴とする、請求項8または9に記載の製造方法。
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