JP5867500B2 - ポリエステルの製造方法 - Google Patents
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Description
(i)芳香族ジオール化合物のアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩とジカルボン酸ジクロリドとの界面重縮合法。
(ii)芳香族ジオール化合物の二酢酸塩とジカルボン酸の脱酢酸重縮合法(溶融重縮合法)。
(iii)ジカルボン酸のジフェニルエステルと芳香族ジオール化合物との脱フェノール重縮合法(溶融重縮合法)。
(ii)、(iii)の方法では、原料は各種ジカルボン酸誘導体から合成できるものの、高温で反応を行うため、酸素等の影響により着色しやすい。また、反応末期に反応系の溶融粘度が極めて高くなるため、反応副生物(水、モノカルボン酸類、フェノール類等)を効率よく反応系外に抜き出すことが困難となる。したがって、所望の分子量まで高めるための重縮合反応を高温で長時間行う必要がある。また、ポリアリレート中にモノカルボン酸類やフェノール類が残留するとポリアリレートの着色や強度低下の原因となる。
(iv)ぬぐい膜式反応器と5個の排気口を有する2軸スクリュー水平押し出し機との組み合わせを用いてジカルボン酸のジフェニルエステルと芳香族ジオール化合物とを連続的に反応させる方法(特許文献1参照)。
(v)溶融状態のポリアリレートプレポリマーを多孔板から自由に落下させながら重合させる方法(特許文献2参照)。
(vi)溶融状態のポリアリレートプレポリマーを多孔板からガイドに沿わせて落下させながら重合させる方法(特許文献3参照)。
R1は、CX1Y1R4で表される基であり、2つのR1は同一であっても異なってもよく、
R2は、水素原子またはCX2Y2R5で表される基であり、2つのR2は同一であっても異なってもよく、
R3は、水素原子またはCX3Y3R6で表される基であり、2つのR3は同一であっても異なってもよく、
X1〜X3は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子またはRfであり、
Y1〜Y3は、それぞれ独立にフッ素原子またはRfであり、
R4〜R6は、それぞれ独立にフッ素原子、Rf、ORfまたは炭素数1〜6のアルキル基であり、
Rfは、独立に炭素数1〜4のフルオロアルキル基(ただし、エーテル性酸素を含んでもよい。)である。
R1は、CX1Y1R4で表される基であり、
R2は、水素原子またはCX2Y2R5で表される基であり、
R3は、水素原子またはCX3Y3R6で表される基であり、
R7は、炭素数1〜5のペルフルオロアルキレン基(ただし、エーテル性酸素を含んでもよい。)であり、
X1〜X3は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子またはRfであり、
Y1〜Y3は、それぞれ独立にフッ素原子またはRfであり、
R4〜R6は、それぞれ独立にフッ素原子、Rf、ORfまたは炭素数1〜6のアルキル基であり、
Rfは、独立に炭素数1〜4のフルオロアルキル基(ただし、エーテル性酸素を含んでもよい。)である。
R7は、炭素数1〜5のペルフルオロアルキレン基(ただし、エーテル性酸素を含んでもよい。)であり、2つのR7は同一であっても異なってもよい。
R2は、水素原子またはCX2Y2R5で表される基であり、
R3は、水素原子またはCX3Y3R6で表される基であり、
R7は、炭素数1〜5のペルフルオロアルキレン基(ただし、エーテル性酸素を含んでもよい。)であり、
X1〜X3は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子またはRfであり、
Y1〜Y3は、それぞれ独立にフッ素原子またはRfであり、
R4〜R6は、それぞれ独立にフッ素原子、Rf、ORfまたは炭素数1〜6のアルキル基であり、
Rfは、独立に炭素数1〜4のフルオロアルキル基(ただし、エーテル性酸素を含んでもよい。)である。
前記式(5)におけるR2は、CX2Y2R5で表される基であることが好ましい。
前記含フッ素アルコールのpKaは、15未満であることが好ましい。
前記含フッ素アルコールのpKaは、13未満であることが好ましい。
前記触媒は、アルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩であることが好ましい。
本発明のポリエステルの製造方法は、触媒の存在下に、特定の含フッ素ジカルボン酸エステル化合物と、ジオール化合物とのエステル交換反応によってポリエステルを得る方法である。
触媒としては、公知のエステル交換反応触媒が挙げられる。触媒の具体例としては、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の炭酸塩(炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸カルシウム等)、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物(水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム等)、ホウ素またはアルミニウムの水素化物のアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、第四級アンモニウム塩(水素化アルミニウムリチウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ホウ素テトラメチルアンモニウム等)、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水素化合物(水素化リチウム、水素化ナトリウム、水素化カルシウム等)、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のアルコキシド(リチウムメトキシド、ナトリウムエトキシド、カルシウムメトキシド等)、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のアリーロキシド(リチウムフェノキシド、ナトリウムフェノキシド、マグネシウムフェノキシド、LiO−Ar1−OLi、NaO−Ar1−ONa(ただし、Ar1はアリーレン基である。)等)、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の有機酸塩(酢酸リチウム、酢酸カルシウム、安息香酸ナトリウム等)、亜鉛化合物(酸化亜鉛、酢酸亜鉛、亜鉛フェノキシド等)、ホウ素化合物(酸化ホウ素、ホウ酸、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸トリメチル、ホウ酸トリブチル、ホウ酸トリフェニル等)、ケイ素化合物(酸化ケイ素、ケイ酸ナトリウム、テトラアルキルケイ素、テトラアリールケイ素、ジフェニル−エチル−エトキシケイ素等)、ゲルマニウム化合物(酸化ゲルマニウム、四塩化ゲルマニウム、ゲルマニウムエトキシド、ゲルマニウムフェノキシド等)、スズ化合物(酸化スズ、ジアルキルスズオキシド、ジアルキルスズカルボキシレート、酢酸スズ、エチルスズトリブトキシド等のアルコキシ基またはアリーロキシ基と結合したスズ化合物、有機スズ化合物等)、鉛化合物(酸化鉛、酢酸鉛、炭酸鉛、塩基性炭酸鉛、鉛または有機鉛のアルコキシドまたはアリーロキシド等)、オニウム化合物(第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩、第四級アルソニウム塩等)、アンチモン化合物(酸化アンチモン、酢酸アンチモン等)、マンガン化合物(酢酸マンガン、炭酸マンガン、ホウ酸マンガン等)、チタン化合物(酸化チタン、チタンのアルコキシドまたはアリーロキシド等)、ジルコニウム化合物(酢酸ジルコニウム、酸化ジルコニウム、ジルコニウムのアルコキシドまたはアリーロキシド、ジルコニウムアセチルアセトン等)等が挙げられる。
触媒の量は、原料のジオール化合物に対して、通常は10−8〜1質量%であり、重合速度(生産性)と触媒のポリエステルへの残留による物性低下の点から、10−7〜10−1質量%が好ましい。
含フッ素ジカルボン酸エステル化合物は、化合物(1)、化合物(2)および化合物(3)からなる群から選ばれる少なくとも1種である。
Arの具体例としては、フェニレン基、トルイレン基、キシリレン基、ビフェニレン基、ナフチレン基、フリレン基、チエニレン基、ピロリレン基、ピリジレン基等が挙げられ、得られるポリエステルの耐熱性の点から、6員環以上の基が好ましく、得られるポリエステルの耐熱性および原料の入手のしやすさの点から、下式(4)で表される基がより好ましい。
式(4)で表される基の具体例としては、1,2−フェニレン基、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基、3−メチル−1,2−フェニレン基、4−メチル−1,2−フェニレン基、2−メチル−1,3−フェニレン基、4−メチル−1,3−フェニレン基、5−メチル−1,3−フェニレン基、2−メチル−1,4−フェニレン基、3−フェニル−1,2−フェニレン基、4−フェニル−1,2−フェニレン基、2−フェニル−1,3−フェニレン基、4−フェニル−1,3−フェニレン基、5−フェニル−1,3−フェニレン基、2−フェニル−1,4−フェニレン基、3−t‐ブチル−1,2−フェニレン基、4−t‐ブチル−1,2−フェニレン基、2−t‐ブチル−1,3−フェニレン基、4−t‐ブチル−1,3−フェニレン基、5−t‐ブチル−1,3−フェニレン基、2−t‐ブチル−1,4−フェニレン基、3−シクロヘキシル−1,2−フェニレン基、4−シクロヘキシル−1,2−フェニレン基、2−シクロヘキシル−1,3−フェニレン基、4−シクロヘキシル−1,3−フェニレン基、5−シクロヘキシル−1,3−フェニレン基、2−シクロヘキシル−1,4−フェニレン基等が挙げられる。
含フッ素ジカルボン酸エステル化合物は、化合物(5)および化合物(6)からなる群から選ばれる少なくとも1種の含フッ素アルコールを出発物質として用いる反応によって得ることができる。
ジオール化合物が芳香族ジオール化合物の場合の含フッ素アルコールのpKaは、フェノール類のpKaがおよそ10であることから、10未満、もしくは10に近いものが好ましい。
ジオール化合物が脂肪族ジオール化合物の場合の含フッ素アルコールのpKaは、脂肪族アルコール類のpKaがおよそ15から16であることから、15未満が好ましく、13未満がより好ましい。
含フッ素アルコールの水溶液中での酸解離度としてpKaを測定する。
HA(含フッ素アルコール)+S(水)→HS+(水の共役酸)+A−(含フッ素アルコールの共役塩基)
平衡定数の式は下式となる。
Ka=[HS+][A−]/[HA][S]
ここで、希薄水溶液を想定すると[S]は1で近似できる。
Ka=[HS+][A−]/[HA]
pKa=log[HA]/[HS+][A−]=−log[HS+]−log[A−]/[HA]
水溶液中での酸解離度であるので、−log[HS+]はpHと等しい。
pKa=pH−log[A−]/[HA]
半中和された状態では、[A−]=[HA]となるため、pH=pKaと近似できる。
上記の考察から、酸性度の高い含フッ素アルコールについては電位差滴定装置でpKaを測定した。
※3:推算値(下記文献に基づき水素結合性OHと非水素結合性OHの伸縮振動数の差(Δλ)から推算)
J.Org.Chem.,32,1217(1967);J.Amer.Chem.Soc.,86,4948(1964)
X11〜X16は、すべてハロゲン原子であることが好ましく、フッ素原子または塩素原子がより好ましく、副生物として工業的に有用なクロロホルムが併産できる点から、すべて塩素原子であることが最も好ましい。
(b)の方法で用いる触媒としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属;アルカリ金属水素化物、アルカリ土類金属水素化物;アルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物;相間移動触媒;アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アンモニアのハロゲン化物;イオン交換樹脂;Sn、Ti、Al、W、Mo、ZrおよびZnからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属の化合物または酸化物;エステル交換反応触媒等が挙げられる。
(c)の方法における反応温度は、40〜200℃が好ましい。
(c)の方法における反応圧力は、通常は大気圧である。
ジオール化合物としては、脂肪族ジオール化合物、芳香族ジオール化合物が挙げられ、工業的に有用なポリアリレートが得られる点から、芳香族ジオール化合物が好ましい。
脂肪族ジオール化合物の具体例としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、3−クロロ−1,2−プロパンジオール、2−クロロ−1,3−プロパンジオール、シクロヘキサンジオール、1,2−プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、1,4−ブテンジオール、2−メチル−2,4−ペンタンジオール(ヘキシレングリコール)、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、含フッ素ジオール(3,3,3−トリフルオロ−1,2−プロパンジオール等)等が挙げられる。
芳香族ジオール化合物の具体例としては、レゾルシノール、カテコール、ハイドロキノン、2,2−(ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン〔別名:ビスフェノールA〕、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン〔別名:ビスフェノールAF〕、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、4,4’−ジヒドロキシビフェニル、ビス(4−ヒドロキシビフェニル)エーテル、ジヒドロキシナフタレン、フロログリシノール、フェノール類の縮合物等が挙げられ、原料の入手の容易性やポリアリレートの有用性の点から、ビスフェノールAが好ましい。
触媒の存在下に、含フッ素ジカルボン酸エステル化合物とジオール化合物とをエステル交換反応させて、ポリエステルを得る具体的な方法としては、下記の(A)または(B)の方法が挙げられ、簡単なプロセスで製造できる点から、(A)の方法が好ましい。
(A)触媒の存在下に、含フッ素ジカルボン酸エステル化合物とジオール化合物とを溶融重縮合させる方法。
(B)触媒の存在下に、含フッ素ジカルボン酸エステル化合物とジオール化合物とを溶液重縮合させる方法。
含フッ素ジカルボン酸エステル化合物/ジオール化合物比(モル比)は、分子量が1000程度〜100000程度のポリエステルが得られる点から、0.95〜1.20が好ましい。
以上説明した本発明のポリエステルの製造方法にあっては、酸解離度が比較的高く、かつ沸点が芳香族炭化水素であるフェノール類に比べ低く重合系外に除去しやすい含フッ素アルコールに由来する特定の含フッ素ジカルボン酸エステル化合物と、ジオール化合物とをエステル交換反応させているため、重合反応速度が速く低温で重合が可能となる。また、溶媒を用いる必要がない。そのため、着色が少ない、高純度、高分子量のポリエステルを簡単なプロセスで製造できる。
下記の装置を用い、下記の条件にてGC分析を行った。
装置:島津製作所社製、GC−17A、
検出方法:FID検出。
下記の装置を用い、下記の条件にてGC−Mass分析を行った。
装置:島津製作所社製、GC−17A/QP−5050Aシステム、
検出方法:EI検出。
下記の装置を用い、下記の条件にてNMR分析を行った。
装置:日本電子社製、AL300、
1H−NMR(300.4MHz、溶媒:CDCl3、基準:TMS)、
19F−NMR(282.65MHz、溶媒:CDCl3、基準:CFCl3)。
合成したポリエステルの分子量は、下記の装置を用い、下記の条件にて分析を行い、標準物質のポリスチレンに換算して決定した。
装置:東ソー社製、HLC−8220GPC、
ガードカラム:TSKguardcolumn SuperMPHZ−M、
カラム:TSKgel SuperMultiporeHZ−M 3本、
移動相:テトラヒドロフラン、
流量:0.35mL/min、
検出方法:RI検出、
カラム温度:40℃。
ビス(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)イソフタレート(化合物(1−1))の合成:
温度計、撹拌機、還流冷却器および滴下ロートを備えた2000mLのガラス製の反応器内に、イソフタロイルクロリド(化合物(9−1))の500g(2.46mol)を仕込んだ後、撹拌を行いながら100℃に昇温した。次に、2,2,3,3−テトラフルオロプロパノール(化合物(5−1))の715.53g(5.41mol)を、内温の上昇(ΔT)および塩化水素ガスの発生具合を見ながら速度を調整して滴下した。滴下終了後、100℃で1時間撹拌を行い、その後、塩化水素ガスの発生具合を見ながら140℃まで昇温し、計9時間加熱した。反応終了後、室温まで粗液を冷却後、粗液の一部を採取し、1H−NMR分析を行った。結果として化合物(1−1)が主生成物として生成していることを確認した(化合物(5−1)ベースの収率41.8%)。生成物である化合物(1−1)は93.5%の収率で得られた。
1H−NMR δ:4.762(4H,t,J=12.6Hz),5.962(2H,tt,J=3.3,52.9Hz),7.617(1H,t,J=7.8Hz),8.297(2H,dd,J=1.8,7.8Hz),8.711(1H,t,J=1.5Hz)。
19F−NMR δ:−137.142(4F,d,53.1Hz),−123.257(4F,tdt,J=1.7,3.3,12.2Hz)。
MS m/z:235(PhC(=O)OCH2CF2CF2H);263(C(=O)PhC(=O)OCH2CF2CF2H);343(CF2CH2OC(=O)PhC(=O)OCH2CF2CF2H);394(CF2HCF2CH2OC(=O)PhC(=O)OCH2CF2CF2H)。
ビス(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)テレフタレート(化合物(1−2))の合成:
撹拌機、還流冷却器および滴下ロートを備えた3000mLのガラス製の反応器内に、テレフタロイルクロリド(化合物(9−2))の857.21g(4.22mol)を仕込んだ後、撹拌を行いながら100℃に昇温した。次に、2,2,3,3−テトラフルオロプロパノール(化合物(5−1))の1248.84g(9.46mol)を内温の上昇(ΔT)および塩化水素ガスの発生具合を見ながら速度を調整して滴下した。滴下終了後、100℃で1時間撹拌を行い、その後、塩化水素ガスの発生具合を見ながら140℃まで昇温し、計9時間加熱した。反応終了後、室温まで粗液を冷却後、粗液の一部を採取し1H−NMR分析を行った。結果として化合物(1−2)が主生成物として生成していることを確認した(化合物(5−1)ベースの収率43.1%)。生成物である化合物(1−2)は96.7%の収率で得られた。
1H−NMR δ:4.760(4H,tt,J=1.2,12.9Hz),5.947(2H,tt,J=3.3,53.2Hz),8.154(4H,s)。
19F−NMR δ:−137.020(4F,d,52.9Hz),−123.203(4F,tdt,J=13.0,3.4,1.7Hz)。
MS m/z:235(PhC(=O)OCH2CF2CF2H);263(C(=O)PhC(=O)OCH2CF2CF2H);343(CF2CH2OC(=O)PhC(=O)OCH2CF2CF2H);394(CF2HCF2CH2OC(=O)PhC(=O)OCH2CF2CF2H)。
ポリアリレートの合成1:
300mLの溶融重合用装置の反応器に、ビスフェノールA(化合物(10))の20.99g(0.092mol)、化合物(1−1)の27.20g(0.069mol)、化合物(1−2)の9.07g(0.023mol)、水素化ホウ素カリウムの0.0027g(0.5×10−4mol)を仕込んだ。下記の脱酸素工程を3回繰り返した。
脱酸素工程:0℃にて反応器内が約1トルになるまで排気することによって酸素を抜いた後、再度反応器内に窒素を大気圧まで充填する。
ポリアリレートの合成2:
300mLの溶融重合用装置の反応器に、ビスフェノールA(化合物(10))の20.99g(0.092mol)、ジフェニルイソフタレートの21.96g(0.069mol)、ジフェニルテレフタレートの7.32g(0.023mol)、水素化ホウ素カリウムの0.0027g(0.5×10−4mol)を仕込んだ。下記の脱酸素工程を3回繰り返した。
脱酸素工程:0℃にて反応器内が約1トルになるまで排気することによって酸素を抜いた後、再度反応器内に窒素を大気圧まで充填する。
本出願は、2011年3月2日出願の日本特許出願2011−045195に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
Claims (9)
- 触媒の存在下に、下式(1)で表される化合物、下式(2)で表される化合物および下式(3)で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物とジオール化合物とのエステル交換反応を行うことを含み、前記ジオール化合物が、芳香族ジオール化合物である、ポリエステルの製造方法。
R1は、CX1Y1R4で表される基であり、2つのR1は同一であっても異なってもよく、
R2は、水素原子またはCX2Y2R5で表される基であり、2つのR2は同一であっても異なってもよく、
R3は、水素原子またはCX3Y3R6で表される基であり、2つのR3は同一であっても異なってもよく、
X1〜X3は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子またはRfであり、
Y1〜Y3は、それぞれ独立にフッ素原子またはRfであり、
R4〜R6は、それぞれ独立にフッ素原子、Rf、ORfまたは炭素数1〜6のアルキル基であり、
Rfは、独立に炭素数1〜4のフルオロアルキル基(ただし、エーテル性酸素を含んでもよい。)である。
R1は、CX1Y1R4で表される基であり、
R2は、水素原子またはCX2Y2R5で表される基であり、
R3は、水素原子またはCX3Y3R6で表される基であり、
R7は、炭素数1〜5のペルフルオロアルキレン基(ただし、エーテル性酸素を含んでもよい。)であり、
X1〜X3は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子またはRfであり、
Y1〜Y3は、それぞれ独立にフッ素原子またはRfであり、
R4〜R6は、それぞれ独立にフッ素原子、Rf、ORfまたは炭素数1〜6のアルキル基であり、
Rfは、独立に炭素数1〜4のフルオロアルキル基(ただし、エーテル性酸素を含んでもよい。)である。
R7は、炭素数1〜5のペルフルオロアルキレン基(ただし、エーテル性酸素を含んでもよい。)であり、2つのR7は同一であっても異なってもよい。 - 前記式(1)〜(3)で表される化合物が、下式(5)で表される化合物および下式(6)で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の含フッ素アルコールを出発物質として用いる反応によって得られる、請求項1に記載のポリエステルの製造方法。
R2は、水素原子またはCX2Y2R5で表される基であり、
R3は、水素原子またはCX3Y3R6で表される基であり、
R7は、炭素数1〜5のペルフルオロアルキレン基(ただし、エーテル性酸素を含んでもよい。)であり、
X1〜X3は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子またはRfであり、
Y1〜Y3は、それぞれ独立にフッ素原子またはRfであり、
R4〜R6は、それぞれ独立にフッ素原子、Rf、ORfまたは炭素数1〜6のアルキル基であり、
Rfは、独立に炭素数1〜4のフルオロアルキル基(ただし、エーテル性酸素を含んでもよい。)である。 - 前記含フッ素アルコールの炭素数が、2〜10である、請求項2に記載のポリエステルの製造方法。
- 前記式(5)におけるR2が、CX2Y2R5で表される基である、請求項2または3に記載のポリエステルの製造方法。
- 前記含フッ素アルコールのpKaが、15未満である、請求項2〜4のいずれか一項に記載のポリエステルの製造方法。
- 前記含フッ素アルコールのpKaが、13未満である、請求項2〜5のいずれか一項に記載のポリエステルの製造方法。
- 前記含フッ素アルコールが、2,2,2−トリフルオロエタノール、2,2,3,3−テトラフルオロ−1−プロパノール、2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロパノール、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロパノール、2−フルオロ−1−プロパノール、2,2,3,4,4,4−ヘキサフルオロ−1−ブタノール、2,2,3,3,4,4,5,5−オクタフルオロ−1−ペンタノール、2,2,3,3,4,4,5,5−オクタフルオロシクロペンタノール、ペルフルオロ(t−ブチル)アルコール、および2,2,3,3,4,4,5,5,6,6−デカフルオロシクロヘキサノールからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項2〜6のいずれか一項に記載のポリエステルの製造方法。
- 前記ジオール化合物が、ビスフェノールAである、請求項1〜7のいずれか一項に記載のポリエステルの製造方法。
- 前記触媒が、アルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩である、請求項1〜8のいずれか一項に記載のポリエステルの製造方法。
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