DE2364445A1 - Elektrisch leitende organische salze - Google Patents
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
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-
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-
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Description
PATENTANWALT*
8 MÜNCHEN SO, «lAUtSrtKIRCHERCTR. 43
Anwaltsakte 24- 54-7 24. Dezember 1973
Be/Sch
Monsanto Company St. Louis, Missouri / USA
"Elektrisch leitende organische Salze"
Die Erfindung betrifft Verbindungen bzw. Zubereitungen mit elektrisch leitenden Eigenschaften. Die Verbindungen
weisen organische Anionen und organische Kationen auf, wobei sowohl die Anionen als auch Kationen ionen mit ungerader
Elektronenzahl sind.
Nach dem Stand der Technik sind eine große Vielzahl elektrisch leitender organischer Verbindungen bekannt, von
07-0184· . -2-
409826/1124
3(0811) 988272 9870 43 983310 Titegramm·! BERGSTAPFPATENT MOiKfc·* TELEX 05 24 5« BEUG d
236U45
denen jedoch nur wenige elektrische und thermische Eigenschaften
in wünschenswerten Kombinationen aufweisen. Eine bedeutende Klasse sind Salze, die sowohl ein organisches
Anion als auch.ein organisches Kation enthalten. Eine spezifische Klasse umfaßt organische Salze, worin sowohl das
Anion als auch das Kation Ionen mit ungerader Elektronenzahl sind. Unter einem "Ion mit ungerader Elektronenzahl"
ist ein Ion zu verstehen, das eine ungerade Anzahl -an gebundenen
Elektronen aufweist.
Bekannt ist die Herstellung elektrisch leitender organischer Salze mit einem 7-7«8.8-Tetracyano-p-chinodimethan-'anion
= C
nachfolgend als (TCNQ)"" bezeichnet. Die besten elektrischen
Leitfähigkeiten, soweit es die (TCNQ)" - Salze be-
p _Λ Λ
trifft, liegen im Bereich von etwa 10 ' ohm cm für Einkristalle,
während verdichtete Kristalle Leitfähigkeiten
—1 —1
von etwa 5 ohm cm nicht überschreiten.
von etwa 5 ohm cm nicht überschreiten.
Ein weiteres Anion, das bei der Untersuchung von leitfähigen organischen Salzen verwendet wurde, ist das 1111*12.12-Tetracyano-2.6-naphth.achinodimeth.an,
409826/1124
ORiGfNAL UMSPECTED
2364U5
das nachfolgend als (TNAP-)"" bezeichnet wird. Diese (TNAP)" -
—1 —1
Salze haben maximale Leitfähigkeiten von etwa 10 ohm cm für verdichtete Kristalle, während für Einkristalle
von (TNAP)" Leitfähigkeiten nicht bekannt geworden sind.
Ein spezifisches Kation, das bei den Untersuchungen der leitenden organischen Salze verwendet wurde, ist Tetrathiafulvalen
G = C
das hier mit (TTF)+ bezeichnet wird. Die leitfähigen (TTF)+
organischen Salze haben auf etwa 2 ohm cm begrenzte Leitfähigkeiten bei verdichteten Kristallen, während für
Einkristalle von irgendeinem (TTF)+-SaIz Leitfähigkeiten
nicht bekannt geworden sind.
Soweit festgestellt werden konnte, sind elektrisch leitende organische Salze, die ein Kation 2.5-Cyclohexadien-1.4—
diyliden-bis-1.3-ä.ithiol
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enthalten, bisher nicht beschrieben worden. Dieses Ion
wird nachfolgend als (CHDT)+ bezeichnet.
.+ τϊ-
Die Erfindung betrifft Verbindungen der Formel A B ,
worin A- . .
(ic
und/oder
und B
G=G'
'd.h. (TTF)'
NC
NC
C=
d.h. (TCNQ)"
und/oder
d.h. (QJNAP)"
ist.
Verbindungen der oben angegebenen Klasse sind (Tetrathiafulvalen)+
(7.7»8«8-Tetracyano-p-chinodimethan)~,
d.h. (TTF)+ (TCNQ)" ·,
409826/112a
(Tetrathiafulvalen)+ (11 .11 .^.^-
chinodimethan)",
chinodimethan)",
d.h. (TTF)+ (TNAP)";
(7.7.8.8-Tetracyano-p-chinodimethan) ,
d.h. (CHDT)+ (TGWQ)" ; und
^^-Cyclohexadien-i.^-diyliden-bis-i .3-dithiol)+ (11.11.12.
12-Tetracyano-2.6-naphthachinodimethan) ~
d.h. (CHDT)+ (TNAP)".'
Zusätzlich zu irgendeiner, außer den oben angegebenen Verbindungen
in reiner Form, umfaßt die Erfindung Zubereitungen, die irgendeine der Verbindungen mit einer oder mehreren
der verbleibenden drei Verbindungen enthalten. Zubereitungen können die Verbindungen in irgendeinem Anteil, beispielsweise
bei einem binären System,mit einem Verhältnis
von weniger als 1:10 ^ bis 1:1 enthalten. In Zubereitungen,
die mehr als zwei Verbindungen enthalten, können"die einzelnen
Verbindungen in gleicher Weise in irgendeinem Verhältnis von sehr geringen Mengen einer, zwei oder drei Verbindungen
vorliegen, bis zu Zubereitungen, die äquimolare Anteile der Verbindungen der vorliegenden Erfindung enthalten.
Bei bevorzugten Zubereitungen überwiegt eine Verbindung mit einer Minorität von einer oder mehreren anderen
vorhandenen Verbindungen. Zubereitungen, die wenigstens 80 Mol# einer Verbindung mit nicht mehr als 20 MoI^, vor-
4 09826/112/,
zugsweise nicht mehr als 10 Mol^&, einer anderen komponenten
Verbindung enthalten, sind "besonders brauchbar. Zu Beispielen solcher Zubereitungen gehören 2 MoIJlS (TTF)+ (TCNQ)" und
98$ (TTF)+ (TNAP)"; 1$ (TTF)+ (TGNQ)" und 99$ (CHDT)+.(TNAP)"
und 2.% (TTF)+(TCNQ)", 6^ (CHDT)+ (TCNQ)" und 92$ (CHDT) +
(TNAP)".
Die Zubereitungen können sowohl als einfache Gemische der oben angegebenen kristallinen Verbindungen, als auch als Zu-.
bereitungen in Form eines kristallinen Produkts vorliegen,
worin die einzelnen verschiedenen Anionen und/oder Kationen in dem gleichen Kristallgitter vorhanden sind. Die Herstellung
einer Zubereitung, die aus unterschiedlichen kristallinen Verbindungen zusammengesetzt wird durch Ausfällung aus
einer Lösung, führt zur Bildung eines kristallinen Produkts, dessen einzelne Kristalle ein Gemisch der verschiedenen
vorhandenen Anionen nnd/oder Kationen enthalten oder zu
einem Gemisch von Kristallen der einzelnen Verbindungen oder zu beidem.
Außer den oben beschriebenen Verbindungen und Zubereitungen können Homologen und andere einfache Derivate der Verbindungen
ebenso, entweder als Verunreinigungen in geringer Menge mit der nicht substituierten Verbindung, als Hauptkomponenten
einer Zubereitung, oder als reine Verbindung verwendet werden. Zu geeigneten Substituenten gehören einwertige
Kohlenwasserstoffgruppen wie Methyl-, Äthyl-, Vinyl-
—7— 4 0 9 8 28/112 4
und Phenylgruppen und Halogene wie Chlor- oder Bromgruppen.
Die Verbindungen und Zubereitungen dieser Erfindung können dadurch hergestellt werden, daß man zwei oder mehr elektrisch
neutrale Reaktionspartner oder zwei oder mehr Reaktionspartner, die ein oder mehrere der gewünschten Ionen
enthalten, miteinander mischt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man elektrisch neutrale Verbindungen wie (TTF)
und (TCNQ) in einem geeigneten Medium mischt, wodurch man < (TTIF)+ (TCNQ)" erhält. Man kann auch eine Verbindung, die
eines der Ionen in der gewünschten Ionenform wie (TTP) Jodid oder Natrium (TNAP)" entweder mit einer elektrisch
neutralen Verbindung oder mit einem Salz eines anderen Ions, das das notwendige Ion der entgegengesetzten Ladung liefert,
unter Bildung der Verbindungen dieser Erfindung umsetzen. Die Materialien, die die gewünschten Verbindungsbestandteile
enthalten, v/erden gewöhnlich in Gegenwart eines für die Reaktionspartner geeigneten Lösungsmittel, wie Acetonitril,
Methylenchlorid oder Aceton oder einem Gemisch von Lösungsmitteln wie Acetonitril-Methanol, Aceton-Wasser-Methanol
und dergleichen in Kontakt gebracht. Ein gründlicher Kontakt der reinen Reaktionspartner, wie er in der
Dampfphase ohne irgendein Lösungs- oder Dispergiermedium erreicht warden kann, kann ebenso zur Bildung der Verbindungen
oder Zubereitungen dieser Erfindung verwendet werden.
Wenn die Reaktionspartner Salze mit Ionen sind, wie zum Beispiel Jodid, Natrium, Nickel oder Hexafluorantimonat, usw.,
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" 8 " - 2.364U5
die keinen Teil der- Verbindungen oder Zubereitungen dieser
Erfindung bilden sollen, kann das Reaktionsgemisch durch Umkristallisieren oder andere bekannte Verfahren zur Entfernung
der Nebenprodukte der Reaktion gereinigt werden. Als Reaktionstemperaturen werden gewöhnlich solche von etwa
0 bis 1500G, vorzugsweise etwa 20 bis 8O0G verwendet. Sie
können aus Zweckmäßigkeitsgründen beträchtlich variieren, je nach der thermischen Stabilität der Reaktionspartner und
der Zeit, die für die Reaktion erforderlich ist. Eine geeignete Kombination von Reaktionszeit und Temperatur, die
wegen ihrer Zweckmäßigkeit verwendet wurde, liegt bei 20 bis 250G während 2 bis 3 Tagen. Eine Reaktionsdauer von 2
oder 3 Tagen ist jedoch eine Frage der Zweckmäßigkeit und sie kann beträchtlich unter geringem oder keinem Verlust
an Ausbeute verkürzt werden.
Die Verbindungen und Zubereitungen dieser Erfindung sind alselektrische
Leiter geeignet. Wegen der vorteilhaften Korn-' bination ihrer Eigenschaften, wie der thermischen und elektrischen
Leitfähigkeiten und dem thermoelektrische]! Kraftkoeffizienten, sind sie besonders als thermoelektrische
Elemente in thermoelektrischen Vorrichtungen geeignet. Verdichtete
Kristalle der Verbindungen oder Zubereitungen dieser
Erfindung haben elektrische Leitfähigkeiten, die um wenigstens eine Größenordnung höher sind als die bisher bekannten
Leitfähigkeiten9 In gleicher Weise weisen die Verbindungen
und Zubereitungen dieser Erfindung in Einzel-
-9-409826/1124
CW | 1,97 | N(Ji) |
52,92 | 1,95 | 13,40 |
52,70 | 13,81 | |
kristallform höhere elektrische Leitfähigkeit auf als bisher bekannte Einkristalle verwandter Verbindungen.
(TTF)+ (TCNQ)" wird in der. Weise hergestellt, daß man 0,1
mMol (TTF)+-Jodid in 100 ml Acetonitril löst und zu der erhaltenen
Lösung eine Lösung von 0,1 mMol (TCNQ) in 50 ml Acetonitril zugibt. Das erhaltene Reaktionsgemisch wird nach
3 Tagen filtriert, wodurch man eine 50^ige Ausbeute eines
schwarzen mikrokristallinen Produkts erhält. Elementaranalyse:
errechnet für (TTF)+ (TCNQ)",
errechnet für (TTF)+ (TCNQ)",
Gefunden
Die Verbindung wird mit 630 kg/cm (90 000 psi) in eine
Mikroform verdichtet und es wurde festgestellt, daß der
mittels dem 4-Sondenverfahren gemessene Volumwiderstand
-2
5 x 10 ohm cm war. Der Seebeck—Koeffizient betrug -26
5 x 10 ohm cm war. Der Seebeck—Koeffizient betrug -26
—1 —'S
Mikrovolt-G-rad , die thermische Leitfähigkeit 2 χ 10
2-1
Watt cm Grad .
Watt cm Grad .
(TTF)+ (TCNQ)" wird dadurch hergestellt, daß man 2 mMol
(TTF)+ (SbF6)" in 25 ml Acetonitril löst und der erhaltenen
Lösung eine Lösung, die 2 mMol Li+ (TCNQ)" in 25 ml Methanol
enthält, zugibt. Das erhaltene Reaktionsgemisch filtriert
-10-4098 26/112/,
236U45
man nach 2 Tagen, wodurch man in 55#iger Ausbeute ein
schwarzes mikrokristallines Produkt erhält, das versuchsweise als (T[DI)+ (TGNQ)" identifiziert wird. Die Elementaranalyse
für (TTF)+ (TGNQ)~ ist:
errechnet für- C18H8N4S4 (#) 52,92 G, 1,97 H. 13,40 N
gefunden (#) 52,91 G 1,91 H- 13,64 N.
Der Volumwiderstand des verdichteten polykristallinen Ma-
-2
terials "beträgt 2 χ 10 ohm cm. Der Seebeck-Koeffizient beträgt -22 Mikrovolt Grad"1.
terials "beträgt 2 χ 10 ohm cm. Der Seebeck-Koeffizient beträgt -22 Mikrovolt Grad"1.
(TTF)+ (TCNQ)" wird dadurch hergestellt, daß man 10 mMol
(TTF) in 200 ml Acetonitril löst und die erhaltene Lösung zu einer Lösung zugibt, die 10 mmol (TNCQ) in 400 ml einer
3:1 Lösung von Methylenchlorid und Acetonitril enthält. Man läßt das Reaktionsgemisch 7 Stunden ruhen und filtriert danach,
wodurch man eine 50$ige Ausbeute von schwarzem mikrokristallinem
Produkt erhält, das versuchsweise als (TTF)+
(TCNQ)" identifiziert wird. Die Elementaranalyse für
C18H8N4S4 ist:
errechnet (#) 52,92 G, 1,97 H 13,40 N
gefunden {%) 52,70 C 2,03 H 13,58 N.
Der Yolumwiderstand beträgt 1 χ 10 ohm ein, der Seebeck-Koeffizient
-20 Mikrovolt Grad"1.
-11-409826/1124
Eine Probe von (TTF)+ (TGNQ)" wird nach dem Verfahren von
Beispiel 3 aus warmem Dimethylformamid umkristallisiert.
Das Material kristallisiert als schwarze rechteckige Platten aus, die in reflektiertem Lieht undurchsichtig und im
durchfallenden Licht grün-gelb sind. Der Volumwiderstand in der langen Achse der Platten, gemessen mit dem 4-Sonden-
-3 verfahren, liegt im Bereich von 1,4- bis 3,5 x 10 ohm cm
und der Seebeck-Koeffizient im Bereich von -20 bis -30 Mikro-
—1
volt Grad . Die Röntgenanalyse zeigt, daß der Kristall der Raumgruppe P2^,/C angehört. Die Abmessungen der Elementarzelle sind a = 12,25 Ä, b = 3,81 S, 0 = 9,20 Ä,' ß = 105° mit zwei Molekülen in der Elementarζeile.
volt Grad . Die Röntgenanalyse zeigt, daß der Kristall der Raumgruppe P2^,/C angehört. Die Abmessungen der Elementarzelle sind a = 12,25 Ä, b = 3,81 S, 0 = 9,20 Ä,' ß = 105° mit zwei Molekülen in der Elementarζeile.
(TTF)+ (TNAP)" wird in der Weise hergestellt, daß man 1 mMol
(TTF) in 20 ml auf etwa 4-00C erwärmtes Acetonitril löst und
zu der erhaltenen Lösung eine Lösung von 500 ml siedendem Acetonitril, das 1 mMol (TNAP) enthält, zugibt. Man läßt
die Lösung ruhen und über Nacht abkühlen, filtriert dann und erhält in 70?£iger Ausbeute ein schwarzes mikrokristallines
Produkt, das als (TTF)+ (TNAP)" identifiziert wird.
—2
Der Volumwiderstand beträgt 1 χ 10 ohm cm und der Seebeck-Koeffizient
-22 Mikrovolt Grad""1.
In einen Trenntrichter, der 100 Teile sauerstoffreies
-12-409826/112 4
Methylenchlorid und 100 Teile einer 0,1 molaren Lösung Von
Natriumbisulfit in sauerstoffreiem Wasser enthielt, gibt
man eine Suspension von 5 Teilen 1.4-Phenylenbis-2-(1.3-dithiolium)-difluorborat
in 20 Teilen Acetonitril. Durch 15 Minuten Einperlen von Stickstoffgas wird das Gemisch bewegt, wonach man es sich absitzen läßt und dadurch die Ab-.
trennung der Schichten ermöglicht. Die Methylenchloridlösung wird abgezogen und die wäßrige Schicht mit weiteren
100 Teilen Methylenchlorid gewaschen. Die zusammengegebenen
Methylenchloridlösungen werden getrocknet und unter reduziertem Druck abgedampft, wodurch ein Rückstand zurückbleibt,
der aus CCl^-Äthanol umkristallisiert und als 2.5-Cyclohexadien-1o4—
diyliden-bis-1„3-dithiol, d-h. (CHDT)5
identifiziert wird=
Ein Äquivalent (CHDT) und ein Äquivalent 1o4-Phenylenbis-2-.(1°3-<lithiolium)-difluorborat
löst man in 100 Teilen trockenem Acetonitril9 wodurch man eine tiefrote Lösung
von 2 Teilen (CHDT)+ BF^- erhält» Hierzu gibt man eine
heiße Lösung von 2 Teilen Lithium (TNAP) in Methanol» Nach Abkühlen erscheinen, schwarze Kristalle von (CHDT)"4* (TNAP)"",
die durch Abnutschen gesammelt werden«
Beispiel 8 · .
Man stellt eine Lösung von Kaliumsulfid in Äthanol dadurch her, daß man 40 Teile Kaiiumhydroxid in,250 Teilen absolu-
-13-4 0 9 8 2 8/1124
tem Äthanol löst, diese Lösung mit Schwefelwasserstoff
sättigt und dann in dieser Lösung weitere 40 Teile Kaliumhydroxid löst.
Man läßt die Lösung abkühlen und gibt 20 Teile «.«.a.CX1 .Of* .-OC'-Hexachlor-p-xylol
unter Rühren zu. Das erhaltene Gemisch erhitzt man langsam auf 45° und behält diese Temperatur
2 Stunden bei. Dann erhöht man die Temperatur zum Rückfluß, den man weitere 3 Stunden beibehält. Die Lösung wird heiß
filtriert und abkühlen lassen, worauf Kristalle von rotem Dikaliumtetrathioterephthalat erscheinen. Dieses Salz (11
Teile) sammelt man durch Filtrieren.
Bromacetaldehyd (10 Teile) gibt man langsam zu einer Suspension
von 5 Teilen Dikaliumtetrathioterephthalat in 150 Teilen kaltem (O0C) Äthanol. Man läßt die erhaltene rote
Lösung sich auf 25° erwärmen und rührt eine Stunde. Man filtriert, kühlt das Filtrat in Eis und sättigt mit Schwefelwasserstoff.
Zu dieser Lösung gibt man 10 Teile wäßrige Fluorborsäure. Man läßt das Gemisch sich 4 Stunden umsetzen,
sammelt die Kristalle von 1.4-Phenylenbis-2-(1.3-dithiolium)· difluorborat (2 Teile), dann durch Filtrieren und wäscht
mit 20 Teilen 1:1 Äthanol-Äther.
Zu einer Lösung von 10 Teilen 1.4-Dilithiobenzol, hergestellt
aus 1.4-Dibrombenzol und n-Butyllithium, wie bei
Nielsen und McEwen (J. Am. Chem. Soc. 79, 3081 (1957) be-
-14-
4 0 3 B 2 6 / 1 1 2 /t
schrieben, gibt man festes 2-Methylthio-1.3-dithioliumöodid
(20 Teile) in kleinen Portionen. Die dunkle Lösung hellt >
sich langsam auf, wobei sie schließlich eine gelb-braune Färbung erreicht. Nach beendeter Reaktion verdampft man
das Lösungsmittel, behandelt das rückständige Harz mit einem Gemisch aus 100 Teilen entlüftetem Wasser und 100 Teilen
Dichlormethan·. Die wäßrige Schicht wäscht man einmal mit Dichlormethan und verwirft sie. Die zusammengegebenen
Dichlprmethanlösungen verdampft man, behandelt den braunen Rückstand mit 6 Teilen 2.3-Dichlor-5.6-dicyano-1.4-benzochinon
(DDQ), das in siedendem Dichlormethan gelöst ist. Nach einer halben Stunde gewinnt man den blau-schwarzen
Feststoff durch Filtrieren, wodurch man einen Teil Produkt erhält, der als (CHDT)+ (DDQ)" identifiziert wird.
iquimolare Teile von (CHDT)+ (DDQ)" und Lithium (TCNQ)" gibt
man zu heißem Acetonitril, rührt die erhaltene Lösung zwei Stunden, wonach man auf Zimmertemperatur abkühlen läßt» Die
Lösung wird filtriert und das schwarze kr is tall ine/aus gefällte
Produkt als (CHDT)+ (TCNQ)" identifiziert.
Man stellt ein Gemisch von (TTF)+ (TNAP)" und (TTF)+ (TCNQ)"
dadurch her, daß man ImMoI (TTF) in 20 ml Acetonitril löst
und zu der erhaltenen Lösung eine Lösung von 500 ml heißtem
Acetonitril, das 0,8 mMol (TNAP) und 0,2 mMol (TCNQ) enthält, zugibt. Man läßt die Lösung über Nacht abkühlen, wonach man
- -15-
4 0 9 8 2 8/1124
die Lösung filtriert und in 7Obiger Ausbeute als Produkt
das schwarze mikrokris'
(TTF)+ (TCWQ)" erhält.
(TTF)+ (TCWQ)" erhält.
das schwarze mikrokristalline Gemisch (TTF) (TNAP)"* und
-Patentansprüche-
0-9826/1124
Claims (1)
- Patentansprüche :1. Verbindungen und Zubereitungen der Formel A B-, worin Aund/
oderund/oder2. Zubereitung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine oder mehrere Verbindungen gemäß Anspruch 1 enthält.5- Zubereitung gemäß Anspruch 2, dadurch g e k en η ζ e i chne t , daß eine der Verbindungen zu wenigstens 80 Mol# in der Zubereitung vorliegt.-17-4 0 9 8 2 6 / 1 1 2 U4. Zubereitung gemäß Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet , daß die Verbindungen in etwa äquimoiaren Mengen vorhanden sind.5. (Tetrathiafulvalen)+ (?.?-8.8-Tetracyano-p-chinodimethan)""-6. (Tetrathiafulvalen)4"
chinodimethan)~.7. (2.5-Cyclohexadien-1.4-diyliden-bis-i.3-dithiol)+ (7-7-8- e-iDetracyano-p-chinodimethan) ~ .8. (2.5-Cyclohexadien-1.4-diyliden-bis-i.3-dithiol)"1" (11.11.12. i2-5Detraeyano-2. 6-naphthachinodimethan) ~.40S826/1124ORIGINAL INSPECTED
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FR (1) | FR2211464B1 (de) |
GB (1) | GB1404270A (de) |
IL (1) | IL43902A0 (de) |
IT (1) | IT1001433B (de) |
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-
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- 1973-12-24 IL IL43902A patent/IL43902A0/xx unknown
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