JPS61500614A - 全硝酸ニトロ化プロセスにおけるdnpiの分解 - Google Patents
全硝酸ニトロ化プロセスにおけるdnpiの分解Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、硝酸のみを使用するニトロ化プロセスにおいて有機出発反応体から誘
導されたジニトロ副産物を分解するための手段、および一層重要なことには、前
記手段を組み入れることによって改良されたN−アルキル7タルイミドのニトロ
化誘導体の製造方法に係る。特定的には、硝酸だけを使用する二上ロ化プロセス
における有機反応体のジニトロ誘導体副産物が、ニトロ化の間またはその後反応
混合物の温度を少なくとも40℃、好ましくは約り0℃〜約60℃の温度に上昇
させることによって分解され得る。さらに特定的には、硝酸だけを使用し、少ル
フタルイミドの溶液をニトロ化するニトロ化プロセスにおいて本発明は、生成物
を回収する作業をする前に反応混合物の温度を少なくとも約49℃、好ましくは
約り0℃〜約60℃に高めるという付、加工程からなる改良を提供する。
ヒース(Heath )らの米国特許第5.879.428号、第4847.8
67号および第4787.475号(全て本発明の譲受人と同一人に譲渡されて
いる)に示されているようにN−アルキルニトロ7タルイミドは多くの有機二無
水物およびポリイミドを製造するための基本的な出発反応体として特に有用であ
るためこれらの化合物の別の製造方法が絶えず追求されている。
本発明以前のN−置換二トロフタルイミドを製造する1つの方法には、アルカリ
金属炭酸塩触媒の存在下でニトロフタル醸無水物と有機イソシアネートとの反応
を実施することが含まれていた。たとえば、タケコシ(Takekoshi )
の米国特許第486へ589号参照。N−アルキルニトロ7タルイミドの別の製
造方法がクック(Cook ) らの米国特許第4933.852号に開示され
ておシ、この方法では98〜103重量2の濃硫酸からなる溶媒中でN−アルキ
ル7タルイミドの溶液を調製し、この溶液を60゜〜80℃の温度範囲以内で9
8〜100重量%の濃硝酸に接触させ、その後メチレンクロライドでの抽出によ
って反応生成物を回収する。
さらに最近になって、 付で出願された同時係属中の特許出願番号笛 号(援用
して本明細書中に包含する)には、N−アルキルフタルイミドをニトロ化してN
−アルキルニトロフタルイミドを生成させるための硝酸のみによるプロセス(す
なわち全硝酸ニトロ化プロセス)が開示されている。一般的にいってこの明細書
には次式のN−アルキルニトロフタルイミドの製造方法が開示されている。
■
濶
ここでRは炭素原子を1〜8個、好ましくけ1〜4個有するアルキル基である。
この方法は、N−フルキルフタルイミドを少なくとも約95重量%、好ましくは
少なくとも約97.5重量%の濃硝酸と混合し、この混合物を約−2DCから使
用した硝夕の沸点までの温度範囲、好ましくは約2f)C〜約60℃の温度範囲
内で反応させ、この反応を進行させ、その後ニトロ化生成物を公知の方法で回収
して本質的にN−アルキルニトロ7タルイミドの5−異性体と4−異性体から成
る混合物を得ることがらなっている。
出発反応体である硝酸とN−アルキルフタルイミドの重量比は約α4〜約50で
ちり、約5〜約SOが好ましく、約9〜約15が最も好ましい。
しかし最近になって、N−アルキル7タルイミドの全硝酸ニトロ化プロセスの間
に、N−アルキルニトロフタルイミドの3−異性体と4−異性体に加えて少量の
、主として45−ジニ)ロー4−ヒドロキク−N−アルキルフタルイミド(DN
PI) 化合物かう成るN−アルキルフタルイミドのジニトロ誘導体が望ましく
ない副産物として生成することが発見さされた。反応生成物中に存在するDNP
I の量は、反応が行なわれる時間と温度に応じ、生成物に対して約1〜約3重
量%で変化し得る。このDNPI は、後のよシ高分子量のポリマーを形成する
際のニトロ置換反応とこのポリマーの変色に有害な影響を及ぼすために望ましく
ない。
今や、硝酸のみを使用するニトロ化プロセスの間に生成したジニトロ副産物を分
解し得る手段が発見されたのである。この手段はニトロ化の間またはその後反応
混合物の温度を少なくとも約40℃、好ましくは約り0℃〜約60℃の温度に高
めることからなる。
さらに本発明によってN−アルキルニトロフタルイミドを製造するための硝酸だ
けを使用する改良ニトロ化プロセスが得られ、その改良点はニトロ化生成物の回
収に先立って、反応混合物を仕上げ処理する前のニトロ化プロセス中に前記手段
を組み入れることにある。
さらに特定的には改良された全硝酸ニトロ化プロセスは、1)少なくとも約95
重量%の濃度、好ましくは少なくとも約97.5重量%の濃度の硝酸の溶媒中で
N−アルキルフタルイミドの溶液を作シ、2)ニトロ化を進行させ、3)その後
生成物の回収のための作業をする前に反応混合物の温度を少なくとも40℃、好
ましくは約り0℃〜約60℃に上げることからなる。このニトロ化生成物は公知
の方法で回収でき、本質的にN−アルキルニトロフタルイミドの3−異性体と4
−異性体からなシ、シかも実質的にDNPI を含まない混合物が得られる。
反応混合物を高温にすべき時点と時間の長さは臨界的なものではない。好ましい
1つの方法では少なくとも約75XのN−アルギルフタルイミドが反応した後で
温度を上げ、DNPI が充分分解する時間、好ましくは少なくとも約30分間
反応混合物を前記の、上昇温度に維持する。また別の方法では、ニトロ化の開始
時に反応混合物を高めの温度にしてニトロ化の間中またはニトロ化の完了後まで
維持してもよい。
発明の詳細な説明
本明細書と請求の範囲の目的に対して「硝酸の沸点」は使用した特定の硝酸が使
用した圧力で沸騰する温度と定義する。この定義が必要とされるのは、100%
未満の濃度の硝酸が100Xの濃硝酸よシ高い沸点を有するという事実、および
反j応が行なわれる圧力を大気圧よ)高くすると硝酸の1沸点が上昇し得るとい
う事実による。明らかにそのような場合は、本明細書中および請求の範囲に記載
した本発明の最も広い範囲内にあるものと考えられる。
硝酸のみを使用するニトロ化プロセス、においてこのニトロ化プロセス中に生成
したジニトロ副産物を本質的に除去し得る手段が発見された。特定的には、ニト
ロ化の間かまたはニトロ化の後で生成物の回収の前に反応混合物の温度を約40
℃から硝酸の沸点までの温度、好ましくは約り0℃〜約60℃の温度に上げるこ
とによってジニトロ副産物を水溶性の成分に分解し得る。これよシ低い温度でも
ジニトロ副産物は分解するが、速度が遅過ぎて効率は費用効果という点で許容で
きない。
また、より高い温度であると前記ジニトロ副産物をス上も大きくなり、さらに沸
騰によって硝酸が失なわれる可能性があるため、これはあtb望ましくない。本
発明の手段は、主要な副産物としてムラ−ジニトロ−4−ヒドロキシアルキルフ
タルイミドカ生成スるN−アルキルフタルイミドの全硝酸ニトロ化において特に
適している。
硝酸のみを使用するニトロ化プロセスに上述の手段を組み入れると、ニトロ化生
成物が本質的にジニトロ副産物を含有しない改良ニトロ化プロセスが得られる。
一般に、硝酸のみを使用する改良ニトロ化プロセスは、以下に繰シ返すように前
記の同時係属中の特許出願中に記載したのと同じ変量とパラメーターを用いて前
記特許出願中に開示したように実施する。
ただし、回収のために生成物を処理する前において、ニトロ化プロセスの間また
はニトロ化の後に、反応混合物の温度を約40℃から硝酸の沸点までの温度、好
ましくは約り0℃〜約60℃の温度に上昇させる。
硝酸を使用ししかも40℃よシ高い温度で行ない得、かくして現に見い出された
ことであるが、ジニトロ副産物のいくらかまたはほとんど全てを分解するニトロ
化プロセスが前記の出願に開示されかつその特許請求の範囲に記載されている限
シにおいて、この付加工程は必要でない。しかしながら、反応混合物の温度をさ
らに高くすることによってより高純度が得られると共に変色がずっと少なくなる
であろう。しかし一般に本プロセスは、より適切には約50℃以下の温度、最も
適切には約40℃以下の温度で実施されるニトロ化プロセスに関するものである
。
特定的には、硝酸のみ全使用する改良ニトロ化プロセスでは少なくとも約95重
量2の濃度を有する硝酸を使用すべきであシ、約97.5〜約100重量%の濃
度範囲内でおると好ましい。これよシ低い濃度の硝酸もこのニトロ化プロセスに
有用であるが、低濃度を使用すると遅過ぎて費用効果的でないプロセスとなる。
このような濃度の硝酸は市販されているかまたはさらに広く市販されている60
〜67重量%の濃度の硝酸から公知の濃縮法によって製造し得る。
製画νの使用量は少なくとも、N−アルキルフタルイミドの芳香核にNo2基が
1個結合するのに必要な化学量論量であるべきである。一般に、N−アルキルフ
タルイミドに対する硝酸の重量比は約α4〜約50であるべきでらシ、約5〜約
30が好ましく、約9〜約15が最も好ましい。これよシ少量の硝酸では収率)
;悪くなシ反応速度が遅過ぎて費用効果的でない。他方、よシ多量の硝酸では濃
硝酸を不必要に損なうことになシ、このような酸の費用とその再利用のための費
用が増大することになろう。
本明細書中に開示したニトロ化プロセスに対して適切なN−アルキルフタルイミ
ドは上記式I(ただしRはC1〜C8,好ましくはCI −C4の炭化水素であ
る)のものである。これらを製造するには、マーケジツチ(Markezich
)の米国特許第4.02 [L 089号(援用して本明細書中に包含する)
に教示されているようにアルキルアミンと7タル酸無水物との間の反応を実施す
るとよい。N−アルキルフタルイミドは任意の適切な形態、たとえば粉末、フレ
ーク等で反応容器に添加すればよい。このプロセスはアルキル基がメチル、エチ
ル、n−プロピル、1−プロピルまたはn−ブチルであるN−アルキルフタルイ
ミドのニトロ化に特に適している。
本発明の改良プロセスは、攪拌機またはかき混ぜ手段と反応容器を加熱または冷
却するための手段を備えた反応容器中で濃硝酸とN−アルキルフタルイミドを互
いに混合し、反応を進行させ、その後ニトロ化生成物の回収のための作業をする
前Qて反応混合物の温度を少なくとも約40℃、好ましくは約り0℃〜約60℃
に上昇させることからなっている。反応生成物自体は、ニトロ化生成物の公知の
回収方法のいずれかによって反応混合物から回収し得る。
上述したように、ニトロ化自体に関する限りニトロ化プロセスを実施する温度は
臨界的ではない。
使用すべき現実の温度は所望の反応速度と所望の最終生成物に依存する。一般に
、温度を低くすればするほど反応は遅くなると共に生成物中に形成される4−異
性体の3−異性体((対する割合は大きくなる。
逆に、高めの温度では反応速度は増大し、4−異性体の3−異性体に対する比は
小さくなる。
反応を行なうときの温度が反応速度に対して最も重大な影響力を有しているが、
使用した特定の反応体および反応混合物中の反応体の比も反応速度に大きな影響
を及ぼす。前者に関しては、初期混合物中の硝酸または連続操業中に加えられる
硝酸の濃度が高ければそれだけ反応速度は速くなる。さらに、N−アルキル7タ
ルイミド上の特定のアルキル基が反応速度に影響を及ぼすことがわかる。一般に
、電子供与性の強いアルキル基、特にたとえばインプロビルの方がたとえばメチ
ル基よ〕かなシ速い反応を促進することが判明した。
最後に、反応混合物中の比に関しては、硝酸のN−アルキル7タルイミドに対す
る比が増大するにつれて反応速度が大きくなることがわかる。この点について、
反応体の比が約10に近づくと最も急激な増大が認められる。
こうして上記のうちいずれか1つまたは全部を変えることによって、最適の収率
を得るべく、反応を行なう時間を大きく増やしたシ減らしたシし得る。
ニトロ化プロセスを本発明の改良なくして行なうと、反応生成物は主としてそれ
ぞれN−アルキルニトロフタルイミドの5−異性体と4−異性体からなるが、望
ましくない副産物、特に化合物へ5−ジニトロー4−ヒドロキシ−N−アルキル
フタルイミド(DNPl)も含有しておシ、しかも明らかな黄変色が認められる
。生成したDNPI は生成物に対して約6重量%まで/)量で存在すると七が
ある。この特定の量は反応条件に依る。
特に、反応へ度が高めでちると生成するDNP’Iの初期レベルはニジ高いが、
DNPl の分解速度は温度が上昇するにつ九て速くなシ、シたがって高めの温
度で反応させると低めの温度で反応させるよシも最終生成物中のDNPl レベ
ルは低くなる。同様に反応混合物中の反応体の比もDNPl レベルに影響を与
える。ここでもまた硝酸のN−アルキル7タルイミドに対する比が大きい方がD
NP I 生成の初期レベルは高いが後続の分解速度はより大きい。したがって
、ニトロ化を高めの温度で実施することによって、または出発反応体の重量比を
高くすることによって、DNPI を回避または軽減し得る。それでもニトロ化
生成物は約5%までのDNPI を含有し得る。
本発明によると、反応混合物中に生成したDNPIは、生成物の回収操作に先立
ってニトロ化の間またはその後で反応混合物の温度を少なくとも40℃、好まし
くは約り0℃〜約60℃の温度に上昇させるという付加工程によって分解される
。DNPI の分解は連続的であるので、反応生成物の混合物をこの高温に維持
すべき時間は臨界的ではない。しかしほとんどのDNP I が分解するのを確
保するためには、少なくとも30分、好ましくは約30分〜°120分反応生成
物をこれらの高温にさらすと好ましい。
反応混合物を少なくとも40°に昇温する時点も臨界的ではない。しかし、少な
くとも約75%のN−アルギル7タルイミドがニトロ化される点まで、すなわち
反応パラメーターが好ましい範囲にある場合的2.5時間まで反応を進行させて
おくのが好ましい。または、反応がほぼ完了するまで、すなわち約5時間以上反
応を行なわせ、その後DNPI が分解するように温度を上げてもよい。
DNP I が分解するのに充分な時間反応生成物混合物を高めの温度にさらし
た後で、ニトロ化生成物の公知の回収方法のいずれかによって、反応混合物から
反応生成物を回収し得る。使用できる方法の例としては、抽出、スプレー乾燥、
沈殿および乾燥、等が包含される。DNP I の分解産物は水溶性であるため
、反応生成物の混合物から容易に洗浄され、約r1.3重量2未満、好ましくは
約cL1重量2未満のDNPl を有ししかもあったとしてもかすかな黄色味し
かない非常に純粋な5−および4−ニトロ−N−アルキルフタルイミド混合物が
得られる。
上述の反応プロセスはバッチ式方法または連続式反応プロセスのいずれでも使用
に適している。
本発明の実施に使用できるプロセス装置の設計に関する特定の変形は当業者に公
知である。たとえば、放射状混合を伴うかまたは伴わないで加熱もしくは冷却を
伴うかまたは伴わないプラグ流モードで作動する1個または直列もしくは並列の
2個以上の反応器を使用することが可能である。あるいは、1個以上の直列また
は並列の反応器を使用することが可能でおる。
混合モードおよび反応体の添加順序は本発明に対して臨界的ではない。反応体の
供給は第1の反応容器にしてもよく、1個よシ多くの反応容器を使用するなら反
応容器間に分配してもよく、おるいけ1個またはそれ以上の反応容器の異なる場
所に入れてもよい。さらに、反応体を反応プロセスに参入させる前に予じめ混合
してもよいし、またはこれらを別々に供給してもよい。また反応体を混合するか
または反応容器に入れる前にこれらの1万または両方を所望の反応温度にするこ
とも可能でちる。
このプロセスを実施する際の圧力範囲は真空から大気圧以上まで変化し得る。使
用する1個以上の反応容器の種類に応じ、プロセスと安全性の理由から特にやや
減圧にして操作し得る。他の場合には通常はぼ大気圧下でプロセスを実施する。
本発明をいかに実施すればよいか当業者がさらに良く理解し得るように、以下の
実施例を限定のためではなく例示として記載する。
一般に反応生成物は高圧液体クロマトグラフィー (HPLC) で分析した。
この分析法では、50μLの試料をそれぞれ水相3−と有機相2d中に冷やした
。前者は水と1.Ozメタノール中のα1Mテトラメチルアンモニウムクロライ
ドからなシ、後者はアセトニトリル中の10gメタノールからなっていた。
サンプルは、1.5d/分の移動相を使用するデュポン(DuPont ) の
○DS−RP カラムで2 ’8 fl nm で分析した。12〜40%の有
機相の溶媒勾配を直線勾配を用いて20分間に亘ってプログラムiした。
実施例E1.比較例CEI
N−メチルフタルイミド10重量部を40Cで997硝酸100重量部に溶解さ
せるという反応を2種類行なった。40℃で2時間たった後、実施例E1 の反
応混合物を50℃に昇温し、一方比較例CE1は40℃に維持した。さらに1時
間反応を進行させた後、両方の反応混合物を分析した。ElもCElも本質的に
ニトロ−N−メチルフタルイミドの3−異性体と4−異性体の混合物からなって
いた。しかし、CElが含有していたへ5−ジニトロ−4−ヒドロキシ−N−メ
チルフタルイミドは実施FJE1 の約[L06重量%に対して約1.85重量
%であった。さらに、CElは明らかに黄色く変色していたのに対し本発明によ
って生成した化合物はかすかな黄1色味しがなかった。
99%硝酸100重量部に溶解した。ニトロ化反応を30℃で120分間進行せ
しめ、その後反応混合物の半分を反応容器から取り出し、60℃の別の容器中に
入れた(実施例E2 )。残シの反応混合物は30℃で進行せしめた(比較例C
E2 )。この時点で反応混合物E2とCH2はへ5−ジニトロ−4−ヒドロキ
シ−N−メチル−フタルイミドを1.77重量%含有シていた。150分後、す
なわち分けてから30分後、E2 中の315−ジニトロ−4−ヒドロキシ−N
−メチルフタルイミドは126重量%に減少したが、CEZ 中のへ5−ジニ・
ドロー4−ヒドロ午7−N−メチルフタルイミドは1.59重量2であった。
最後に、180分後、すなわち分けてから60分後、E2とCEZ 中の45−
ジニトロ−4−ヒドロキシ−N−メチルフタルイミドの量はそれぞれQ、12と
1゜54重量2であった。
加うるに、温度を上げるとニトロ化反応の完結も早まった。全経過時間の180
分後、K2 中には未反応のN−メチルフタルイミドは0.54重量%しか残っ
ていなかったのに対しCH2中には9.30重量%あった。
明らかに、上述の教示に照らして本発明の池の修正と変形が可能でおる。したが
って、上記した本発明の特定具体例において請求の範囲に規定した本発明の最も
広い意図された範囲内の変更がなし得るものと理解すべきでおる。
国際調査報告
ANNEXTo?Ai工NTER,NA、::ON;、LSE、”bRCH:t
EPCRTCNC+B−A−635635None
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.硝酸のみによるN−C1〜C8アルキルフタルイミドのニトロ化中に生成し た望ましくない副産物を分解する手段であって、ニトロ化の間またはその後反応 混合物の温度を少なくとも約40℃に上げ、ニトロ化が完了しおよび/または実 質的に全ての副産物が分解されるまで前記上昇させた温度を維持することからな る前記手段。 2.反応体を混合する際に温度を上げることを特徴とする請求の範囲第1項に記 載の手段。 3.ニトロ化プロセスが−たん実質的に完了してか温度を上げることを特徴とす る請求の範囲第1項に記載の手段。 4.ニトロ化が完了した後生成物を回収する直前に温度を上げることを特徴とす る請求の範囲第1項に記載の手段。 5.温度を約50℃〜約60℃に上げることを特徴とする請求の範囲第1項に記 載の手段。 6.少なくとも約30分間温度を上げることを特徴とする請求の範囲第1項に記 載の手段。 7.約30分〜約120分間温度を上げることを特徴とする請求の範囲第1項に 記載の手段。 8.有機反応体がN−メチルフタルイミドであり、望ましくない副産物が3,5 −ジニトロ−4−ヒドロキシ−N−メチルフタルイミドであることを特徴とする 請求の範囲第1項に記載の手段。 9.N−C1〜C8アルキルフタルイミドを少なくとも約95重量%の濃度の硝 酸と混合することからなる、前記n−アルキルフタルイミドのニトロ化誘導体を 取得するための改良プロセスであって、その改良点が、前記混合物を少なくとも 約40℃からほぼ硝酸の沸点までの温度で反応させ、前記温度を維持しかつ反応 を進行させ、その後ニトロ化生成物を回収して本質的にN−アルキル−3−ニト ロフタルイミドとN−アルキル−4−ニトロフタルイミドから構成されかつ望ま しくないジニトロ副産物を実質的に含有しない混合物を得ることからなる前記プ ロセス。 l0.反応の温度が約50℃〜約60℃であることを特徴とする請求の範囲第9 項に記載のプロセス。 11.硝酸が約97.5〜100重量%の濃度であることを特徴とする請求の範 囲第9項に記載のプロセス。 12.硝酸のN−アルキルフタルイミドに対する重量比が約0.4〜約50であ ることを特徴とする請求の範囲第9項に記載のプロセス。 13.硝酸のN−アルキルフタルイミドに対する重量比が約9〜約15であるこ とを特徴とする請求の範囲第9項に記載のプロセス。 14.N−アルキルフタルイミドのアルキル基が炭素原子を約1〜約4個有する ことを特徴とする請求の範囲第9項に記載のプロセス。 15.N−アルキルフタルイミドがN−メチルフタルイミドであることを特徴と する請求の範囲第9項に記載のプロセス。 16.N−C1〜C8アルキルフタルイミドを少なくとも約95重量%の濃度の 硝酸と混合し、反応を進行させ、その後ニトロ化生成物を回収して本質的にN− アルキル−3−ニトロフタルイミドとN−アルキル−4−ニトロフタルイミドか ら構成される混合物を得ることからなる、前記N−アルキルフタルイミドのニト ロ化誘導体を取得するための改良プロセスであって、その改良点が、反応生成物 の回収に先立ち望ましくない副産物を分解するのに充分な時間反応混合物の温度 を上げるという付加工程からなることを特徴とする前記プロセス。 17.生成物の回収に先立って反応混合物の温度を少なくとも約40℃に上げる ことを特徴とする請求の範囲第16項に記載のプロセス。 18.反応生成物の回収に先立って反応混合物の温度を約50℃〜約60℃の温 度に上げることを特徴とする請求の範囲第16項に記載のプロセス。 19.少なくとも30分の間反応混合物の温度を上げることを特徴とする請求の 範囲第16項に記載のプロセス。 20.約30分〜約120分の間反応混合物の温度を上げることを特徴とする請 求の範囲第16項に記載のプロセス。 21.硝酸が約97.5〜約100重量%の濃度であることを特徴とする請求の 範囲第16項に記載のプロセス。 22.硝酸のN−アルキルフタルイミドに対する重量比が約0.4〜約50であ ることを特徴とする請求の範囲第16項に記載のプロセス。 23.硝酸のN−アルキルフタルイミドに対する重量比が約5〜約30であるこ とを特徴とする請求の範囲第16項に記載のプロセス。 24.硝酸のN−アルキルフタルイミドに対する重量比が約9〜約15であるこ とを特徴とする請求の範囲第16項に記載のプロセス。 25.ニトロ化プロセスの温度範囲が約20℃〜約50℃であることを特徴とす る請求の範囲第16項に記載のプロセス。 26.ニトロ化プロセスが一たん実質的に完了してから反応混合物の温度を上げ ることを特徴とする請求の範囲第16項に記載のプロセス。 27.N−アルキルフタルイミドのアルキル基が炭素原子を1〜約4個有するこ とを特徴とする請求の範囲第16項に記載のプロセス。 28.N−アルキルフタルイミドがN−メチルフタルイミドであり、望ましくな い副産物が3,5−ジニトロ−4−ヒドロキシ−N−メチルフタルイミドである ことを特徴とする請求の範囲第16項に記載のプロセス。 29.ニトロ化に続いて温度を上げることを特徴とする請求の範囲第16項に記 載のプロセス。
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