JP4643795B2 - ピロールの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貴金属触媒上で脱水素化することにより、ピロリジンまたは置換ピロリジンからピロールを合成する方法に関する。
【０００２】
これまで、対応するピロリジンからピロールまたは置換ピロールを製造するために使用されてきたのは、実質的にＰｄ触媒であった。この触媒は比較的低活性である。
【０００３】
ＵＳ−A−３５２２２６９には、Ｐｄ触媒上での高温（有利に４００〜４５０℃）によるピロリジンのピロールへの脱水素化について記載されているが、この際、触媒はかなり急速に失活する。
【０００４】
ＧＢ−Ａ−１３９３０８６には、支持体であるＳｉＯ2上のパラジウムから成る触媒による、ピペリジンのピリジンへの脱水素化について記載されている。この触媒はハロゲン化炭化水素中、すなわち環境を汚染する条件下で製造される。
【０００５】
ＥＰ−Ａ−６７３６０および１５５６４９には、ピロリジンを脱水素化するためのＰｄ触媒について記載されており；これらの触媒はかなり低温でも効果があるものの、比較的低活性である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ピロリジンまたは置換ピロリジンを触媒により脱水素化して対応するピロールを獲得する方法、および該方法に使用し長期に亘り高い効果を有しかつ環境に優しい方法で作業することを可能にする触媒を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は式ＩＩ：
【０００８】
【化３】
【０００９】
[式中、
Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3およびＲ4は、同一または異なっていてよく、水素原子、炭素原子１〜１２個を有するアルキル基または炭素原子３〜１２個を有するシクロアルキル基である]のピロリジンを、支持貴金属触媒存在下に脱水素化することにより、式Ｉ：
【００１０】
【化４】
【００１１】
[式中、
Ｒ1，Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は、前記と同様の意味を有する]のピロールの製造する方法から出発する。
【００１２】
本発明の方法において、脱水素化を１５０〜３００℃、圧力０.０１〜５０ｂａｒで実施し、かつ貴金属触媒は、
ａ）希土類酸化物または第４族元素（遷移族ＩＶ）の酸化物上のパラジウムまたは
ｂ）酸化アルミニウム、希土類酸化物または第４族元素の酸化物上の白金／パラジウム混合物
３０〜１００質量％を含有しかつアルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物０〜７０質量％を含有する。
【００１３】
本発明の方法は以下のようにして実施できる：
式ＩＩのピロリジンのピロールＩへの変換は、液相、または有利に気相において、不均質触媒上で、１５０〜３００℃、有利に１７０〜２７０℃、特に有利に１８０〜２５０℃で、圧力０.０１〜５０ｂａｒ、有利に０.１〜５ｂａｒ、特に有利に１〜１.５ｂａｒで実施できる。
【００１４】
窒素および水素は、一般的に、使用するピロリジンあたりモル比１：１〜１００：１、有利に２：１〜５０：１、特に有利に３：１〜４０：１で使用する。水素に対する窒素のモル比は０.０１：１〜１００：１、有利に０.１：１〜１０：１、特に有利に０.５：１〜５：１である。
【００１５】
反応を有利に管状反応器で実施し、というのも、装置の出口、すなわち最終反応域の末端部、から入口、すなわち第一反応域の開始部、への逆混合を回避することが重要であり、このことは、管状反応器においてその内部で発生する栓流により、非常に容易に解決できるからである。
【００１６】
触媒を固定層または流動層中に存在させてよい。本発明の不均質な触媒が、第２次反応域で使用される特殊触媒として有用であることが見出された。
【００１７】
好適な不均質触媒は、
ａ）希土類酸化物または周期表第４族元素（遷移族ＩＶ）の酸化物上のパラジウム、または
ｂ）酸化アルミニウム、希土類酸化物または第４族元素の酸化物上の白金／パラジウム混合物
を３０〜１００質量％、有利に５０〜１００質量％、特に有利に７０〜１００質量％含有しかつアルカリ金属酸化物および／またはアルカリ土類金属酸化物を０〜７０質量％、有利に０〜５０質量％、特に有利に０〜３０質量％含有する。
【００１８】
ここに記載した目的のための希土類は、周期表のランタノイドおよびアクチノイド群の元素であり、例えばランタン、セリウム、ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、イッテルビウム、アクチニウム、トリウム、ウランおよびネプツニウム、有利にセリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユーロピウム、テルビウム、イッテルビウム、トリウムおよびプロトアクチニウム、特に有利にセリウム、プラセオジム、ネオジムおよびトリウムである。
【００１９】
好適な第４族の金属は、とりわけチタン、ジルコニウムおよびハフニウム、有利にチタンおよびジルコニウム、特に有利にジルコニウムである。
【００２０】
好適なアルカリ金属およびアルカリ土類金属の例は、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウム、有利にナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウムおよびバリウムである。
【００２１】
触媒（貴金属）の活性成分は、純粋なパラジウムの場合、有利にランタノイドまたはアクチノイドの酸化物上あるいは第４族元素の酸化物上に存在するのが有利であり、白金／パラジウム混合物の場合、実質的に酸化アルミニウム、希土類酸化物または第４族酸化物から成る支持体上に存在するのが有利である。
【００２２】
添加物（すなわち、アルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物）が存在する場合、触媒は、添加物と支持材料とを一緒に混合し、４００〜９００℃で熱後処理（加熱処理）し、貴金属の塩を含む溶液に含浸することにより製造するかまたは支持体を添加物の溶液および貴金属の溶液（例えば、硝酸塩、塩化物、ギ酸塩、シュウ酸塩またはアンモニア錯体の溶液の形）で含浸し、引き続き４００〜９００℃で加熱処理することにより製造する。スピネル構造を達すべきには、アルミニウム酸化物と添加物成分の酸化物あるいは溶液との混合または含浸後に９００〜１３００℃の温度を適用する（Ullmanns Encyklopaedie der technischen Chemie, 第３版（1995）,第６刊, 242〜244頁参照）。
【００２３】
触媒の貴金属含有量は、支持材料あたり、通常０.０００１〜２５質量％、有利に０.００１〜２０質量％、特に有利に０.０５〜１５質量％である。例えば触媒を適用目的により造形品の形、例えば押出物、ペレットまたは環状物、あるいは粉末として使用してもよい。
【００２４】
公知の方法と比較して本発明の方法は、より高活性でかつ脱水素時の失活がより緩慢な触媒を使用することから、工場作業中の触媒の交換に要する中断またはダウンタイムが著しく短縮され、それゆえ生産性が向上するという利点を有する。さらに、本発明で使用する触媒は、芳香族ヘテロ環の合成に、より高い初期選択性を有し、該選択性は１回の触媒の装填による作用時間の全体に亘り明らかに良好である。
【００２５】
しばしば確認されるピロリン等の典型的副産物の生成を、本発明の方法では厳しく抑制できるので、生成する場合であってもほんの僅かな量の副産物しか生じない。
【００２６】
式ＩおよびＩＩ中の置換基Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4およびＲ5は、以下の意味を有する：
−水素
−Ｃ1〜Ｃ12−アルキル、有利にＣ1〜Ｃ8−アルキル、特に有利にＣ1〜Ｃ4−アルキル、例えばメチル、エチル、イソプロピル、ｎ−ブチル、sec−ブチルおよびtert−ブチル
−Ｃ3〜Ｃ12−シクロアルキル、有利にＣ5〜Ｃ8−シクロアルキル、特に有利にＣ5−またはＣ6−シクロアルキル、ここでこれらの基は場合により１〜３個の置換基、例えばハロゲン原子またはＣ1〜Ｃ4−アルキル基で置換されていてよい。
【００２７】
本発明の方法で製造される化合物を、例えば、製薬学的に活性な化合物を製造するために使用することもでき、該化合物はその合成に有効な中間体である。
【００２８】
【実施例】
例１（ＥＰ−A−６７３６０に沿った比較例）：
酸化アルミニウム８ｋｇを、酸化マグネシウム２ｋｇ（いずれも純粋なＡｌ2Ｏ3およびＭｇＯとして計算した）と、水約１０リットルを添加しながら混合し、次いで、押出により厚さ４ｍｍの押出物を得た。得られた押出物を１２０℃で６時間乾燥し、次に４５０℃で２時間加熱処理した。
【００２９】
押出物を、濃度５質量％の硝酸パラジウム溶液を用い、含浸ドラム中で加熱溶液を押出物上に噴霧することにより含浸した。押出物を次に１２０℃で４時間乾燥し、５２０℃で２時間焼成した。
【００３０】
ＥＰ−Ａ−１６７９９６の方法で製造した触媒Ａは、酸化マグネシウム１９.４質量％および酸化アルミニウム８０.６質量％から成る支持体上にＰｄ１質量％を含有する。
【００３１】
長さ１ｍで電気的加熱の可能な２.５ｌ容量の管状反応器に、触媒７５０ｍｌを装填した。この反応器を次いで１８０℃に加熱し（１分あたり５℃）、同時に窒素流（１時間あたり１００ｌ）を通過させ、この温度を保持した。続く４時間の間、水素を１時間あたり３０ｌ計量添加した。さらに、４時間の期間をかけて窒素を徐々に水素に置換し、水素のみが反応器中を通過するようにした。温度を初め２００℃まで上昇させ、この温度を２時間保持し、次に２２０℃まで上昇させ、再びこの温度を２時間保持した。活性触媒を直接実験に使用し、実験開始まで窒素の存在下に貯蔵した。
【００３２】
反応を気体流中（窒素を１時間あたり１００標準リットル、水素を１時間あたり３０標準リットル）で大気圧下に実施した。１時間に触媒１リットルあたり供給物（ピロリジン蒸気）０.０６ｋｇを蒸発器を介して気体流中に計量添加した。反応器の下流で、液体反応生成物を、下流に冷却トラップを備えた２段階強力冷却器により凝縮し、ガスクロマトグラフィーにより分析した。１日の終わりに、反応器をアンモニア／水素でさらに１時間洗浄し、最後に窒素下に冷却した。
【００３３】
実験結果を以下の表１に要約した。
【００３４】
【表１】
【００３５】
選択性とは、反応したピロリジンに対するピロールの収量を意味する。収量はガスクロマトグラフィーにより測定し、面積から比率を求めた。実験の間、温度を上昇させて活性レベルを保持した。すなわち一定の温度では活性が低下する。
【００３６】
例２
例１の方法と同様であるが、触媒Ａの代わりに触媒Ｂを使用した。触媒Ｂは触媒Ａと類似の方法で製造したが、支持体としてＺｒＯ2押出物を使用し、硝酸パラジウム溶液ではなく、等量の硝酸パラジウムおよび白金硝酸塩から成る溶液を使用した。この方法で製造した触媒はＰｔ０.５質量％およびＰｄ０.５質量％を含有した。
【００３７】
実験結果を以下の表２に要約した。
【００３８】
【表２】
【００３９】
触媒Ｂの方が、同一の変換で、明らかにより多量のピロールを生成することが示された。また、反応温度がより低く作用時間がより長いことから、より高い活性を有することも明らかである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、貴金属触媒上で脱水素化することにより、ピロリジンまたは置換ピロリジンからピロールを合成する方法に関する。
【０００２】
これまで、対応するピロリジンからピロールまたは置換ピロールを製造するために使用されてきたのは、実質的にＰｄ触媒であった。この触媒は比較的低活性である。
【０００３】
ＵＳ−A−３５２２２６９には、Ｐｄ触媒上での高温（有利に４００〜４５０℃）によるピロリジンのピロールへの脱水素化について記載されているが、この際、触媒はかなり急速に失活する。
【０００４】
ＧＢ−Ａ−１３９３０８６には、支持体であるＳｉＯ2上のパラジウムから成る触媒による、ピペリジンのピリジンへの脱水素化について記載されている。この触媒はハロゲン化炭化水素中、すなわち環境を汚染する条件下で製造される。
【０００５】
ＥＰ−Ａ−６７３６０および１５５６４９には、ピロリジンを脱水素化するためのＰｄ触媒について記載されており；これらの触媒はかなり低温でも効果があるものの、比較的低活性である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ピロリジンまたは置換ピロリジンを触媒により脱水素化して対応するピロールを獲得する方法、および該方法に使用し長期に亘り高い効果を有しかつ環境に優しい方法で作業することを可能にする触媒を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は式ＩＩ：
【０００８】
【化３】
[式中、
Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3およびＲ4は、同一または異なっていてよく、水素原子、炭素原子１〜１２個を有するアルキル基または炭素原子３〜１２個を有するシクロアルキル基である]のピロリジンを、支持貴金属触媒存在下に脱水素化することにより、式Ｉ：
【００１０】
【化４】
[式中、
Ｒ1，Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は、前記と同様の意味を有する]のピロールの製造する方法から出発する。
【００１２】
本発明の方法において、脱水素化を１５０〜３００℃、圧力０.０１〜５０ｂａｒで実施し、かつ貴金属触媒は、
ａ）希土類酸化物または第４族元素（遷移族ＩＶ）の酸化物上のパラジウムまたは
ｂ）酸化アルミニウム、希土類酸化物または第４族元素の酸化物上の白金／パラジウム混合物
３０〜１００質量％を含有しかつアルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物０〜７０質量％を含有する。
【００１３】
本発明の方法は以下のようにして実施できる：
式ＩＩのピロリジンのピロールＩへの変換は、液相、または有利に気相において、不均質触媒上で、１５０〜３００℃、有利に１７０〜２７０℃、特に有利に１８０〜２５０℃で、圧力０.０１〜５０ｂａｒ、有利に０.１〜５ｂａｒ、特に有利に１〜１.５ｂａｒで実施できる。
【００１４】
窒素および水素は、一般的に、使用するピロリジンあたりモル比１：１〜１００：１、有利に２：１〜５０：１、特に有利に３：１〜４０：１で使用する。水素に対する窒素のモル比は０.０１：１〜１００：１、有利に０.１：１〜１０：１、特に有利に０.５：１〜５：１である。
【００１５】
反応を有利に管状反応器で実施し、というのも、装置の出口、すなわち最終反応域の末端部、から入口、すなわち第一反応域の開始部、への逆混合を回避することが重要であり、このことは、管状反応器においてその内部で発生する栓流により、非常に容易に解決できるからである。
【００１６】
触媒を固定層または流動層中に存在させてよい。本発明の不均質な触媒が、第２次反応域で使用される特殊触媒として有用であることが見出された。
【００１７】
好適な不均質触媒は、
ａ）希土類酸化物または周期表第４族元素（遷移族ＩＶ）の酸化物上のパラジウム、または
ｂ）酸化アルミニウム、希土類酸化物または第４族元素の酸化物上の白金／パラジウム混合物
を３０〜１００質量％、有利に５０〜１００質量％、特に有利に７０〜１００質量％含有しかつアルカリ金属酸化物および／またはアルカリ土類金属酸化物を０〜７０質量％、有利に０〜５０質量％、特に有利に０〜３０質量％含有する。
【００１８】
ここに記載した目的のための希土類は、周期表のランタノイドおよびアクチノイド群の元素であり、例えばランタン、セリウム、ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、イッテルビウム、アクチニウム、トリウム、ウランおよびネプツニウム、有利にセリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユーロピウム、テルビウム、イッテルビウム、トリウムおよびプロトアクチニウム、特に有利にセリウム、プラセオジム、ネオジムおよびトリウムである。
【００１９】
好適な第４族の金属は、とりわけチタン、ジルコニウムおよびハフニウム、有利にチタンおよびジルコニウム、特に有利にジルコニウムである。
【００２０】
好適なアルカリ金属およびアルカリ土類金属の例は、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウム、有利にナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウムおよびバリウムである。
【００２１】
触媒（貴金属）の活性成分は、純粋なパラジウムの場合、有利にランタノイドまたはアクチノイドの酸化物上あるいは第４族元素の酸化物上に存在するのが有利であり、白金／パラジウム混合物の場合、実質的に酸化アルミニウム、希土類酸化物または第４族酸化物から成る支持体上に存在するのが有利である。
【００２２】
添加物（すなわち、アルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物）が存在する場合、触媒は、添加物と支持材料とを一緒に混合し、４００〜９００℃で熱後処理（加熱処理）し、貴金属の塩を含む溶液に含浸することにより製造するかまたは支持体を添加物の溶液および貴金属の溶液（例えば、硝酸塩、塩化物、ギ酸塩、シュウ酸塩またはアンモニア錯体の溶液の形）で含浸し、引き続き４００〜９００℃で加熱処理することにより製造する。スピネル構造を達すべきには、アルミニウム酸化物と添加物成分の酸化物あるいは溶液との混合または含浸後に９００〜１３００℃の温度を適用する（Ullmanns Encyklopaedie der technischen Chemie, 第３版（1995）,第６刊, 242〜244頁参照）。
【００２３】
触媒の貴金属含有量は、支持材料あたり、通常０.０００１〜２５質量％、有利に０.００１〜２０質量％、特に有利に０.０５〜１５質量％である。例えば触媒を適用目的により造形品の形、例えば押出物、ペレットまたは環状物、あるいは粉末として使用してもよい。
【００２４】
公知の方法と比較して本発明の方法は、より高活性でかつ脱水素時の失活がより緩慢な触媒を使用することから、工場作業中の触媒の交換に要する中断またはダウンタイムが著しく短縮され、それゆえ生産性が向上するという利点を有する。さらに、本発明で使用する触媒は、芳香族ヘテロ環の合成に、より高い初期選択性を有し、該選択性は１回の触媒の装填による作用時間の全体に亘り明らかに良好である。
【００２５】
しばしば確認されるピロリン等の典型的副産物の生成を、本発明の方法では厳しく抑制できるので、生成する場合であってもほんの僅かな量の副産物しか生じない。
【００２６】
式ＩおよびＩＩ中の置換基Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4およびＲ5は、以下の意味を有する：
−水素
−Ｃ1〜Ｃ12−アルキル、有利にＣ1〜Ｃ8−アルキル、特に有利にＣ1〜Ｃ4−アルキル、例えばメチル、エチル、イソプロピル、ｎ−ブチル、sec−ブチルおよびtert−ブチル
−Ｃ3〜Ｃ12−シクロアルキル、有利にＣ5〜Ｃ8−シクロアルキル、特に有利にＣ5−またはＣ6−シクロアルキル、ここでこれらの基は場合により１〜３個の置換基、例えばハロゲン原子またはＣ1〜Ｃ4−アルキル基で置換されていてよい。
【００２７】
本発明の方法で製造される化合物を、例えば、製薬学的に活性な化合物を製造するために使用することもでき、該化合物はその合成に有効な中間体である。
【００２８】
【実施例】
例１（ＥＰ−A−６７３６０に沿った比較例）：
酸化アルミニウム８ｋｇを、酸化マグネシウム２ｋｇ（いずれも純粋なＡｌ2Ｏ3およびＭｇＯとして計算した）と、水約１０リットルを添加しながら混合し、次いで、押出により厚さ４ｍｍの押出物を得た。得られた押出物を１２０℃で６時間乾燥し、次に４５０℃で２時間加熱処理した。
【００２９】
押出物を、濃度５質量％の硝酸パラジウム溶液を用い、含浸ドラム中で加熱溶液を押出物上に噴霧することにより含浸した。押出物を次に１２０℃で４時間乾燥し、５２０℃で２時間焼成した。
【００３０】
ＥＰ−Ａ−１６７９９６の方法で製造した触媒Ａは、酸化マグネシウム１９.４質量％および酸化アルミニウム８０.６質量％から成る支持体上にＰｄ１質量％を含有する。
【００３１】
長さ１ｍで電気的加熱の可能な２.５ｌ容量の管状反応器に、触媒７５０ｍｌを装填した。この反応器を次いで１８０℃に加熱し（１分あたり５℃）、同時に窒素流（１時間あたり１００ｌ）を通過させ、この温度を保持した。続く４時間の間、水素を１時間あたり３０ｌ計量添加した。さらに、４時間の期間をかけて窒素を徐々に水素に置換し、水素のみが反応器中を通過するようにした。温度を初め２００℃まで上昇させ、この温度を２時間保持し、次に２２０℃まで上昇させ、再びこの温度を２時間保持した。活性触媒を直接実験に使用し、実験開始まで窒素の存在下に貯蔵した。
【００３２】
反応を気体流中（窒素を１時間あたり１００標準リットル、水素を１時間あたり３０標準リットル）で大気圧下に実施した。１時間に触媒１リットルあたり供給物（ピロリジン蒸気）０.０６ｋｇを蒸発器を介して気体流中に計量添加した。反応器の下流で、液体反応生成物を、下流に冷却トラップを備えた２段階強力冷却器により凝縮し、ガスクロマトグラフィーにより分析した。１日の終わりに、反応器をアンモニア／水素でさらに１時間洗浄し、最後に窒素下に冷却した。
【００３３】
実験結果を以下の表１に要約した。
【００３４】
【表１】
選択性とは、反応したピロリジンに対するピロールの収量を意味する。収量はガスクロマトグラフィーにより測定し、面積から比率を求めた。実験の間、温度を上昇させて活性レベルを保持した。すなわち一定の温度では活性が低下する。
【００３６】
例２
例１の方法と同様であるが、触媒Ａの代わりに触媒Ｂを使用した。触媒Ｂは触媒Ａと類似の方法で製造したが、支持体としてＺｒＯ2押出物を使用し、硝酸パラジウム溶液ではなく、等量の硝酸パラジウムおよび白金硝酸塩から成る溶液を使用した。この方法で製造した触媒はＰｔ０.５質量％およびＰｄ０.５質量％を含有した。
【００３７】
実験結果を以下の表２に要約した。
【００３８】
【表２】
触媒Ｂの方が、同一の変換で、明らかにより多量のピロールを生成することが示された。また、反応温度がより低く作用時間がより長いことから、より高い活性を有することも明らかである。
Claims (6)
- 式ＩＩ：
Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は、同一または異なっていてよく、水素原子、炭素原子１〜１２個を有するアルキル基、炭素原子３〜１２個を有するシクロアルキル基である]のピロリジンを、支持貴金属触媒の存在下に脱水素化して、式Ｉ：
Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は、前記の意味を有する]のピロールを製造する方法において、該脱水素化を１５０〜３００ ℃、圧力０.０１〜５０ ｂａｒで実施し、貴金属触媒が、チタンまたはジルコニウムの酸化物上の白金／パラジウム混合物３０〜１００質量％を含有しかつアルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物０〜７０質量％を含有する、式Ｉのピロールの製造方法。 - 反応を液相または気相中で実施する、請求項１記載の方法。
- 反応を、ピロリジン１ ｍｏｌあたり１〜１００ ｍｏｌの量の水素の存在下に実施する、請求項１記載の方法。
- ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、バリウムの酸化物をアルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物として使用する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
- 触媒の貴金属含量が、支持材料あたり０.０００１〜２５質量％の範囲である、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
- 基Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4のひとつが水素原子またはＣ1〜Ｃ4−アルキル基であり、残りが水素原子である、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
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