CN103626642A - 一种制备香兰素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种制备香兰素的方法，首先称取木质素、碱性离子液体和去离子水，木质素和碱性离子液体的质量比为10:1~1:10，木质素和去离子水的固液比1:10~1:1，然后将木质素、碱性离子液体和去离子水加入反应容器中，在80~170℃下搅拌进行反应3h~9h；反应产物冷却，加入去离子水，去离子水和降解反应产物的体积比为0.8~2：1，抽滤除去未反应的木质素固体，然后用有机溶剂萃取；将有机相旋干，即得香兰素。碱性离子液体在木质素降解过程中，既充当溶剂又充当催化剂，替代无机碱溶剂，大大减少了对环境的污染，且碱性离子液体可循环利用，木质素降解产物香兰素纯度高，能耗低，过程绿色，具有较好的工业化应用前景。
Description
技术领域：
本发明属于化工领域，尤其涉及一种香兰素，具体来说是一种制备香兰素的方法。
背景技术：
生物质的主要成分是木质纤维素，包括纤维素、半纤维素和木质素，另含有少量的蛋白质、胶质、蜡等，及微量的无机矿物质，随着种类、产地的不同，其三种主要成份的相对含量也不同。木质素在自然界中的含量仅次于纤维素，分子量范围在600-1000kD之间，是一种极其复杂的无定形、高度交联的有机聚合物，木本植物中木质素的含量约占20-35%，草本植物为14-25%。木质素是由高度取代的苯基丙烷单元随机聚合而成的聚酚类三维网状高分子，与纤维素及半纤维素一起构成植物细胞壁的骨架，因此，一般认为木质素的基本结构单元是苯丙烷，共有3种基本结构：愈创木基丙烷、紫丁香基丙烷和对羟苯基丙烷，如下所示：
由于木质素形成过程中单体聚合有很大的随机性，主要是由醚键和碳碳键连接，且绝大多数丙基支链的α-位连接着羟基或烃氧基，因此，木质素可以进行氧化、还原、醇解、酸解、磺化等多种反应，从而得到小分子化合物，如：香兰素、紫丁香醛、愈创木酚、对羟基苯甲醛、乙酰香草酮、苯甲酸、苯乙醇、苯乙酸等，这些有机小分子化合物可用于酚醛树脂、制备高效减水剂及进一步分离纯化合成精细化工化合物。
离子液体(Ionic Liquid)是完全由离子组成，在室温或低于室温的条件下呈液体的盐，大多数为熔融盐或熔融氧化物。传统的熔融盐具有高熔点、高粘度和高腐蚀性的特点，离子液体与传统的熔融盐最大的区别是离子液体的熔点低。离子液体一般由有机阳离子和无机阴离子组成。常见的阳离子有季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐离子等；阴离子有X-、[BF4]-、[PF6]-、[CF3SO3]-、[(CF3SO2)2]-、[C3F7COO]-、[C4F9SO3]-、[CF3COO]-、[(CF3SO2)3C]-、[(C2F5SO2)3C]-、[(C2F5SO2)2N]-、[SbF6]-、[AsF6]-、[NO2]-、[NO3]-、[HSO4]-等。
离子液体的历史可以追溯到1914年，当时Walden报道了(EtNH3)+ HNO3 -的合成(熔点12℃) 。这种物质由浓硝酸和乙胺反应制得，但是，由于其在空气中很不稳定而极易发生爆炸，它的发现在当时并没有引起人们的兴趣，这是最早的离子液体。一般而言，离子化合物熔解成液体需要很高的温度才能克服离子键的束缚，这时的状态叫做“熔盐”。离子化合物中的离子键随着阳离子半径增大而变弱，熔点也随之下降。对于绝大多数的物质而言，混合物的熔点低于纯物质的熔点，如NaCl的熔点为803℃，而50 %LiCl-50 %AlCl3(摩尔分数)组成的混合体系的熔点只有144℃。如果再通过进一步增大阳离子或阴离子的体积和结构的不对称性，削弱阴阳离子间的作用力，就可以得到室温条件下的液体离子化合物。根据这样的原理，1951年F.H.Hurley和T.P. Wiler首次合成了在环境温度下是液体状态的离子液体。他们选择的阳离子是N-乙基吡啶，合成出的离子液体是溴化正乙基吡啶和氯化铝的混合物，但这种离子液体的液体温度范围还是相对比较狭窄的，而且，氯化铝离子液体遇水会放出氯化氢，对皮肤有刺激作用。直到1976年，美国Colorado州立大学的Robert利用AlCl3/[N-EtPy]Cl作电解液，进行有机电化学研究时，发现这种室温离子液体是很好的电解液，能和有机物混溶，不含质子，电化学窗口较宽。1992年Wilkes以1-甲基-3-乙基咪唑为阳离子合成出氯化1-甲基-3-乙基咪唑，在摩尔分数为50%的AlCl3存在下，其熔点达到了8℃。在这以后，离子液体的应用研究才真正得到广泛的开展。
近年来，离子液体作为环境友好型溶剂，它具有可忽略的蒸汽压、较宽的液态温区、良好的导电性、强极性、酸性可调、可功能化、重复性好、毒性小，对环境污染少等特点，是一种“绿色催化剂”，可取代传统有机溶剂和液体酸碱的环境友好的反应介质，即可充当催化剂又可充当溶剂，另外，现已有文献在研究离子液体对生物质物质具有溶解性能的同时，也指出，某些离子液体对木质素也具有良好的溶解性能。
发明内容：
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种制备香兰素的方法，所述的这种制备香兰素的方法污染少、制备获得的香兰素的纯度高、能耗低，同时碱性离子液体可以回收再利用。
本发明一种制备香兰素的方法，包括如下步骤：
第一步：首先称取木质素、碱性离子液体和去离子水，木质素和碱性离子液体的质量比为10:1~1:10，木质素和去离子水的固液比1:10~1:1，然后将木质素、碱性离子液体和去离子水加入一个反应容器中，在80~170℃下搅拌进行降解反应3h~9h；
第二步：降解反应产物冷却，加入去离子水，去离子水和降解反应产物的体积比为0.8~2：1，抽滤除去未反应的木质素固体，然后用有机溶剂萃取；
第三步：将有机相旋干，即得香兰素。
进一步的，在反应容器中还添加有催化剂，所述的木质素与催化剂的质量比30:1~5:1。
进一步的，所述的木质素与催化剂的质量比20:1~20:3。
进一步的，所述的催化剂为CuSO4 .9H2O。
进一步的，所述的碱性离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氢氧基盐、或者1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐、或者1-丁基-3-甲基咪唑二氰基胺盐、或者1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、或者1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、或者溴化1-丁基-3-甲基咪唑盐中的任意一种。
进一步的，所述的木质素和碱性离子液体的质量比10:1~1:3。
进一步的，所述的降解温度为90~130℃。
进一步的，所述的有机溶剂为乙酸乙酯或者乙醇。
进一步的，在第二步骤中，用有机溶剂萃取2-5次，每次10-30min。
进一步的，在第三步骤中，将有机相旋干后溶于有机溶剂配成标准溶液，分析并计算香兰素的产率。
本发明以一定的液固比加木质素于一定pH碱性溶液中，以一定量的CuSO4.9H2O 为催化剂，一定反应温度下加热；反应完毕，加入去离子水，将反应液抽滤，除去未反应的木质素，以乙酸乙酯为萃取相，等体积萃取3次，每次萃取15min，合并萃取相，减压蒸馏获得橘黄色的粗香兰素产物，并回收乙酸乙酯，经过柱层析法分离得到纯香兰素，分析并计算香兰素的产率。
一般认为木质素的基本结构单元是苯丙烷，共有3种基本结构：愈创木基丙烷、紫丁香基丙烷和对羟苯基丙烷。其中，紫丁香基丙烷单元经过氧化降解过程可以得到香兰素。
本发明使用碱性离子液体，木质素的溶解度较明显的增加，替代无机碱性溶剂，污染大大减少，且碱性离子液体可循环利用，木质素降解产物杂质较少，芳香醛主产物明显。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明是一种利用碱性离子液体湿化氧化降解木质素得到香兰素的方法，通过本发明的方法获得的小分子芳香醛化合物香兰素纯度高、能耗低，同时碱性离子液体可以回收再利用，反应过程绿色，具有较好的工业化应用前景。
具体实施方式：
本发明中GC与GC-MS分析测试香兰素的收率及各主要成分占总小分子化合物的产率分析条件如下：
GC测试条件：气相色谱分析采用美国安捷伦公司出品的6890A型气相色谱。
前进样口：加热器250℃，压力p=132.2kPa，总流速5ml/min，载气节省20ml/min后2分钟；
柱箱：柱箱起始温度50℃，保持2min，从10℃/min到230℃保持10min；
色谱柱：恒定压力P=132.2kPa，流量0.5ml/min，Agilent HP-INNOWAX 19091N-136，260℃:50mx200μmX0.20μm；
检测器250℃，载气N2，不分流。
GC-MS测试条件：采用美国安捷伦公司出品的6890/5973N型气相色谱-质谱联用仪。
进样口温度250℃，传输线温度250℃，柱箱起始温度60℃，保持0min，从8℃/min到230℃保持20min；载气N2，分流比2:1，总流速7ml/min，隔热吹扫流量3ml/min，载气节省20ml/min后2分钟，分流流量3ml/min，色谱柱Agilent HP-INNOWAX 19091N-136:260℃:60mx250μmX0.25μm。质谱条件：CI 电离方式，离子源温度150℃，电子能量70eV。
下面通过实施例对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
GC标准曲线y=8.39886x-0.07425（x:香兰素浓度g/10ml；y:峰面积）
小分子化合物粗收率%=（小分子酚类化合物的质量/木质素的质量）x 100%；
香兰素的纯度%=（香兰素的换算质量/小分子酚类化合物的产量）x 100%；
香兰素的产率%=（香兰素的换算质量/木质素的质量）x 100%。
实施例1
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐0.30g、木质素3.00g、CuSO4 .9H2O 0.30g和去离子水30.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为10:1，木质素和水的固液比为1:10，在磁力搅拌下，90℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为3.77%，其中主产物香兰素的含量为36.83%。
实施例2
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐0.30g、木质素3.0g、CuSO4 .9H2O 0.15g和去离子水30.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为10:1，木质素和水的固液比为1:10，在磁力搅拌下，90℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为2.97%，其中主产物香兰素的含量为37.53%。
实施例3
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐0.30g、木质素3.0g、CuSO4 .9H2O 0.45g和去离子水30.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为10:1，木质素和水的固液比为1:10，在磁力搅拌下，90℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为3.75%，其中主产物香兰素的含量为30.65%。
实施例4
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐0.30g、木质素3.0g和去离子水30.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为10:1，木质素和水的固液比为1:10，在磁力搅拌下，90℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为4.75%，其中主产物香兰素的含量为33.78%。
实施例5
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐0.30g、木质素3.0g和去离子水30.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为10:1，木质素和水的固液比为1:10，在磁力搅拌下，100℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为4.90%，其中主产物香兰素的含量为39.87%。
实施例6
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐0.30g、木质素3.0g和去离子水30.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为10:1，木质素和水的固液比为1:10，在磁力搅拌下，110℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物的收率为5.35%，其中主产物香兰素的含量为34.53%。
实施例7
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐0.30g、木质素3.0g和去离子水30.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为10:1，木质素和水的固液比为1:10，在磁力搅拌下，120℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为5.40%，其中主产物香兰素的含量为30.76%。
实施例8
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐0.30g、木质素3.0g和去离子水30.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为10:1，木质素和水的固液比为1:10，在磁力搅拌下，130℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为3.57%，其中主产物香兰素的含量为35.33%。
实施例9
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐1.00g、木质素3.00g和去离子水30.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为3:1，木质素和水的固液比为1:10，在磁力搅拌下，100℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为3.57%，其中主产物香兰素的含量为37.33%。
实施例10
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐9.00g、木质素3.00g和去离子水30.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为1:3，木质素和水的固液比为1:10，在磁力搅拌下，100℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为4.73%，其中主产物香兰素的含量为36.47%。
实施例11
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐9.00g、木质素3.0g和去离子水3.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为1:3，木质素和水的固液比为1:1，在磁力搅拌下，100℃反应3h；降解混合物冷却，加入30ml去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为6.27%，其中主产物香兰素的含量为19.67%。
实施例12
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐9.0g、木质素3.0g和去离子水9.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为1:3，木质素和水的固液比为1:3，在磁力搅拌下，100℃反应3h；降解混合物冷却，加入30ml去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为5.23%，其中主产物香兰素的含量为15.65%。
实施例13
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基氢氧基盐0.30g、木质素3.0g和去离子水30.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为10:1，木质素和水的固液比为1:10，在磁力搅拌下，100℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为6.37%，其中主产物香兰素的含量为36.48%。
实施例14
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑二氰基胺盐0.30g、木质素3.0g和去离子水30.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为10:1，木质素和水的固液比为1:10，在磁力搅拌下，100℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为4.70%，其中主产物香兰素的含量为64.55%。
实施例15
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐0.30g、木质素3.0g和去离子水15.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为10:1，木质素和水的固液比为1:5，在磁力搅拌下，100℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为7.87%，其中主产物香兰素的含量为25.83%。
实施例16
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐0.30g、木质素3.0g和去离子水30.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为10:1，木质素和水的固液比为1:10，在磁力搅拌下，100℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为9.97%，其中主产物香兰素的含量为19.37%。
实施例17
在100ml的三口烧瓶中，加入碱性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑盐0.30g、木质素3.0g和去离子水3.0ml，其中木质素和碱性离子液体的质量比为10:1，木质素和水的固液比为1:10，在磁力搅拌下，100℃反应3h；降解混合物冷却，加入等体积去离子水，抽滤除去未反应物，用乙酸乙酯萃取三次，每次约15min，其中水相经过滤、蒸发、烘干回收碱性离子液体，可重复使用；合并有机相，旋干，溶于有机溶剂乙醇配成标准溶液，用GC与GC-MS分析并计算小分子化合物粗收率为6.25%，其中主产物香兰素的含量为30.33%。
以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所做的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种制备香兰素的方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步：首先称取木质素、碱性离子液体和去离子水，木质素和碱性离子液体的质量比为10:1~1:10，木质素和去离子水的固液比1:10~1:1，然后将木质素、碱性离子液体和去离子水加入一个反应容器中，在80~170℃下搅拌进行降解反应3h~9h；
第二步：降解反应产物冷却，加入去离子水，去离子水和降解反应产物的体积比为0.8~2：1，抽滤除去未反应的木质素固体，然后用有机溶剂萃取；
第三步：将有机相旋干，即得香兰素。
2.根据权利要求1所述的一种制备香兰素的方法，其特征在于：在反应容器中还添加有催化剂，所述的木质素与催化剂的质量比30:1~5:1。
3.根据权利要求2所述的一种制备香兰素的方法，其特征在于：所述的木质素与催化剂的质量比20:1~20:3。
4.根据权利要求2所述的一种制备香兰素的方法，其特征在于：所述的催化剂为CuSO4 .9H2O。
5.根据权利要求1所述的一种制备香兰素的方法，其特征在于：所述的碱性离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氢氧基盐、或者1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐、或者1-丁基-3-甲基咪唑二氰基胺盐、或者1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、或者1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、或者溴化1-丁基-3-甲基咪唑盐中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种制备香兰素的方法，其特征在于：所述的木质素和碱性离子液体的质量比10:1~1:3。
7.据权利要求1所述的一种制备香兰素的方法，其特征在于：所述的降解温度为90~130℃。
8.据权利要求1所述的一种制备香兰素的方法，其特征在于：所述的有机溶剂为乙酸乙酯或者乙醇。
9.据权利要求1所述的一种制备香兰素的方法，其特征在于：在第二步骤中，用有机溶剂萃取2-5次，每次10-30min。
10.据权利要求1所述的一种制备香兰素的方法，其特征在于：在第三步骤中，将有机相旋干后溶于有机溶剂配成标准溶液，分析并计算香兰素的产率。
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