DE1103335B - Verfahren zur Herstellung von Carbonsaeureestern - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von CarbonsaeureesternInfo
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Description
DEUTSCHES
Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Estern in Gegenwart eines titanhaltigen
Katalysators durch unmittelbare Veresterung von Carbonsäuren und Alkoholen oder durch Umesterung von
Carbonsäureestern mit Alkoholen in flüssigem Zustand in Gegenwart von hydratisierten Titanoxyden.
Veresterungsreaktionen von Carbonsäuren mit Alkoholen im flüssigen Zustand wurden bisher durch Zugabe
einer starken Mineralsäure, ζ. B. von Chlorwasserstoffsäure oder Schwefelsäure oder Arylsulfonsäuren, wie
auch von Metallsalzen starker Mineralsäuren, die in Gegenwart von Wasser leicht hydrolysieren, wie Zink-
und Zinnchloriden, zu den Reaktionsteilnehmern katalysiert. Bei den Veresterungsreaktionen im flüssigen
Zustand war Schwefelsäure der am meisten verwendete technische Katalysator, da sie in den meisten Fällen
eine schnellere Geschwindigkeit der Esterbildung und einen größeren prozentualen Umsatz der organischen
Säure zu Ester bewirkt als andere gut bekannte Veresterungs- oder Umesterungskatalysatoren.
Jedoch hat die saure Katalyse bei Veresterungsreaktionen im flüssigen Zustand durch Schwefelsäure
wie auch durch andere stark saure Katalysatoren bestimmte Nachteile, wie die beträchtliche Dehydratisierung
des Alkoholbestandteils, wodurch die Kosten des Verfahrens infolge Alkoholverlustes und demzufolge
Verringerung der Esterausbeute beträchtlich erhöht werden. Ein weiterer Nachteil ist der, daß die erhaltenen
Ester auf Grund von eingeschlossener Säure stark sauer sind. Bevor die Ester als Weichmacher für Vinylhalogenidpolymerisate
wie auch andere halogenhaltige Polymerisate verwendet werden können, ist es notwendig,
daß der katalytische Säurerückstand der Ester neutralisiert wird, um einen beschleunigten Abbau der weichgemachten
Polymerisate zu vermeiden, der sonst in Gegenwart von freier Säure eintritt. Die Kosten zum
Schutz der Verarbeitungsanlage für die Estersynthese gegen die korrodierende Einwirkung der Mineralsäuren
oder anderer starker Säuren ist ein weiterer Nachteil der Säurekatalysatoren.
Gegenstand dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Veresterung von Carbonsäuren mit Alkoholen und zur
Umesterung von Estern mit Alkoholen im flüssigen Zustand unter der katalytischen Einwirkung von hydratisierten
Titanoxyden, bei dem die Geschwindigkeit der Esterbildung und die prozentuale Umwandlung der
Säuren zu Estern gleich oder größer als diejenige ist, die unter Verwendung von starken Säurekatalysatoren
erzielt wird, bei dem praktisch neutrale Ester erhalten werden, die keine eingeschlossene Säure enthalten, und
bei dem die Estersynthese ohne katalytische Dehydratisierung der Alkohole verläuft.
Bisher war die Verwendung von Titanverbindungen als Katalysatoren für Veresterungen auf die Kontakt-Verfahren
zur Herstellung
von Carbonsäureestern
von Carbonsäureestern
Anmelder:
The B. F. Goodrich Company,
New York, N. Y. (V. St. A.)
New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau,
und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg,
München 27, Pienzenauer Str. 2, Patentanwälte
München 27, Pienzenauer Str. 2, Patentanwälte
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 13. Oktober 1955
V. St. v. Amerika vom 13. Oktober 1955
Frank Xavier Werber, North Royalton, Ohio,
und Seward Junior Averill, Boston, Ohio (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden
katalyse von heterogenen Reaktionen im Dampfzustand beschränkt, wobei die Anwendung der Titanverbindungen
von den Adsorptionseigenschaften der Oberfläche der wasserfreien Titansäure abhängig war, da die Reaktion
zwischen einer Carbonsäure und einem Alkohol durch Adsorption der Komponenten an der Katalysatoroberfläche
und Desorption des gebildeten Esters hervorgerufen wird.
Es wurde nun gefunden, daß Titanverbindungen der allgemeinen Formel TiR4, in welcher R eine OH-Gruppe
darstellt, in feinteiligem Zustand als Katalysatoren für Veresterungsreaktionen von Carbonsäuren und Alkoholen
in flüssigen Zustand verwendet werden können und daß dadurch die obenerwähnten Vorteile erreicht und die
beschriebenen Nachteile vermieden werden. Die erfindungsgemäß geeignete Titanverbindung der obengenannten
allgemeinen Formel ist hydratisiertes Titandioxyd.
Erfindungsgemäß als Katalysator geeignetes hydratisiertes Titandioxyd kann nach einem der bekannten
Verfahren hergestellt werden. Zum Beispiel führt die Behandlung von titanhaltigen Mineralen, wie Rutil,
Ilmenit oder Bauxitbrei, mit konzentrierter Schwefelsäure, Zugabe eines Oxyds, Sulfats oder Carbonats eines
zweiwertigen Metalls zu einer Säurelösung zur Bildung von Titansalzen, deren Hydrolyse bei normalen Temperaturen
oder erhöhten Temperaturen hydratisierte oder teilweise hydratisierte Titandioxydgele liefert.
Titandioxydgele, manchmal auch als hydratisiertes Titandioxyd, Titanhydroxyd oder Orthotitansäure bezeichnet,
können auch durch Hydrolyse von Titansalzen
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3 4
mit Ammonium- oder Alkalihydroxydlösungen erhalten verdrängende Alkohol haben, oder der zu verdrängende
werden. Vorzugsweise sollen die während der Herstellung Alkohol soll ein azeotropes Gemisch bilden, das unter
der Titangele gebildeten Salze vor der Zugabe des Gels der Siedetemperatur des einzuführenden Alkohols siedet,
zu der Carbonsäure und dem Alkohol oder dem Ester In allen obigen Formeln stellen die Symbole R, R' und
und Alkohol entfernt werden. Die Herstellung der oben- 5 R" aliphatische, cycloaliphatische oder aromatische
erwähnten Titangele durch teilweisen Wasserentzug durch Gruppen dar.
Extraktion des überschüssigen Wassers mit Alkohol, Erfindungsgemäß veresterbare Carbonsäuren sind gedurch
Trocknen im Vakuum, durch Erhitzen oder durch sättigte aliphatische Carbonsäuren, Halogen- und Oxy-Druckfiltration,
um einen Teil des Wassers zu verdampfen, carbonsäuren, ungesättigte aliphatische Carbonsäuren
ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Titandi- io und Halogencarbonsäuren, gesättigte oder ungesättigte
oxyd, das als aktiver Katalysator gemäß dieser Erfindung cycloaliphatische Carbonsäuren und aromatische Carbongeeignet ist. Hydratisiertes Titandioxyd, das nach anderen säuren, Amino-, Halogen- und Oxycarbonsäuren sowie
bekannten Verfahren erhalten worden ist, wie durch die Anhydride von zweibasischen Säuren, wie Bernstein-,
Hydrolyse von Titanhalogeniden oder durch Zersetzung Glutar-, Adipin-, Pimelin,- Malein-, Mesacon-, Citracon-,
von Titanhalogeniden bei erhöhten Temperaturen durch 15 Glutacon-, Itacon- und Phthalsäureanhydrid.
Umsetzen mit Sauerstoff, Luft und Wasser, ist als Kataly- Zu den Alkoholen, die mit Carbonsäuren, Carbonsator gemäß dieser Erfindung ebenfalls geeignet. Kolloi- säureanhydriden und Carbonsäureestern umgesetzt werdales hydratisiertes Titandioxyd, das durch Zugabe eines den können, gehören die Alkohole der allgemeinen Formel zweiwertigen Anions zu einer wäßrigen Lösung von Titan- R(0H)M, in welcher R ein organischer Rest und η eine dioxyd oder durch mechanische Peptisierung von hydrati- 20 ganze Zahl ist, wie Methanol, Chloräthanol, Cyanäthanol, siertem Titandioxyd erhalten worden ist, kann ebenfalls Äthoxyäthanol, Phenyläthanol, 2-Chlor-l-propanol, als Katalysator verwendet werden. 3-Brom-l-propanol, 2,2-Dichlor-l-propanol; Äthyl-,
Umsetzen mit Sauerstoff, Luft und Wasser, ist als Kataly- Zu den Alkoholen, die mit Carbonsäuren, Carbonsator gemäß dieser Erfindung ebenfalls geeignet. Kolloi- säureanhydriden und Carbonsäureestern umgesetzt werdales hydratisiertes Titandioxyd, das durch Zugabe eines den können, gehören die Alkohole der allgemeinen Formel zweiwertigen Anions zu einer wäßrigen Lösung von Titan- R(0H)M, in welcher R ein organischer Rest und η eine dioxyd oder durch mechanische Peptisierung von hydrati- 20 ganze Zahl ist, wie Methanol, Chloräthanol, Cyanäthanol, siertem Titandioxyd erhalten worden ist, kann ebenfalls Äthoxyäthanol, Phenyläthanol, 2-Chlor-l-propanol, als Katalysator verwendet werden. 3-Brom-l-propanol, 2,2-Dichlor-l-propanol; Äthyl-,
Das erfindungsgemäß bevorzugte Verfahren zur Her- n-Propyl-, Isopropyl-, η-Butyl-, sekundär-Butylalkohol,
stellung von hydratisierten Titandioxydkatalysatoren 2-Nitro-l-propanol, l-Chlor-2-propanol, 2-Nitro-l-butanol,
besteht darin, daß man Ammonium- oder Alkalihydroxyd- 25 2-Methyl-l-pentanol, 2-Methylpentanol-3, prim.- und sek.-
lösungen mit Lösungen von Titansulfat oder Titanchlorid Octanol, n-Dodecanol-, 6-Dodecanol, Lauryl-, Myristyl-,
in verdünnten Säuren zu einem hydratisierten Titan- Stearylalkohol, 2-Propen-l-ol; 2-Buten-l-ol, 3-Penten-
dioxydgel umsetzt, die Ammonium- oder Alkalisalze l-ol und ähnliche Alkohole, ferner die mehrwertigen
durch Filtrieren entfernt und das Gel einige Male zur gesättigten und ungesättigten Alkohole und arylsubsti-
Entfernung von praktisch allen Verunreinigungen mit 30 tuierte aliphatische Alkohole.
Wasser wäscht. Dieses Verfahren wird wegen der leichten Zu den Estern, die mit Alkoholen in Gegenwart von
Zugänglichkeit der genannten Titansalze bevorzugt. hydratisiertem Titandioxyd unter Bildung von Estern
Die Konzentration des erfindungsgemäß verwendbaren mit anderen Alkoholanteilen als denen des Esterreaktions-Titankatalysators
kann innerhalb eines weiten Bereichs teilnehmers umgesetzt werden können, gehören z. B. die
verändert werden. Bevorzugte Katalysatorkonzentra- 35 folgenden Gruppen von Verbindungen: Ester aus getionen
betragen 0,01 bis 1,0 Gewichtsprozent, auf das sättigten oder ungesättigten Monocarbonsäuren und einGewicht
der veresterbaren Carbonsäure bezogen. Es wertigen gesättigten oder ungesättigten Alkoholen sowie
können aber gegebenenfalls auch Konzentrationen von auch Ester aus gesättigten oder ungesättigten Mono-2,0,5,0
und sogar 10,0 % oder mehr verwendet werden. carbonsäuren und mehrwertigen gesättigten oder un-
Veresterungs- und Umesterungsreaktionen, in denen 40 gesättigten Alkoholen sowie Ester aus gesättigten oder
das obengenannte hydratisierte Titandioxyd als Kataly- ungesättigten Polycarbonsäuren und einwertigen
sator verwendet werden kann, sind die Bildung von Estern Alkoholen.
aus Carbonsäuren oder Carbonsäureanhydriden und Die Reaktionsbedingungen, wie Temperatur, Druck
Alkoholen, ferner die Umesterungsreaktionen, bei denen und Mengenanteile der Reaktionsteilnehmer, können in
ein Ester mit einem Alkohol umgesetzt wird, dessen 45 einem weiten Bereich verändert werden; in der Haupt-Siedepunkt
höher ist als der des Alkoholanteils des sache hängt dies von der Art der einzelnen Reaktions-Esters.
Demgemäß umfaßt die Erfindung die kataly- teilnehmer und den gewünschten Endprodukten ab,
tischen Umsetzungen von organischen Verbindungen, wobei jedoch die Reaktionsteihiehmer in flüssigem Zustand
die mindestens eine Acyloxygruppe enthalten, mit einem gehalten werden müssen. Da die Umsetzungen bei
Alkohol, wobei die Verbindungen mit mindestens einer 5° Raumtemperatur langsam verlaufen, wird bevorzugt
Acyloxygruppe erfindungsgemäß Carbonsäuren, Carbon- bei erhöhten Temperaturen, insbesondere unter Rücksäureanhydride
und Ester von Carbonsäuren sein sollen. flußtemperatur gearbeitet. Um die Vollständigkeit der
Die folgenden Umsetzungen werden durch hydratisiertes Umsetzung zu gewährleisten, können in bekannter Weise
Titandiaxyd katalysiert: ununterbrochen oder unterbrochen eines oder mehrere
1. Umsetzung einer Carbonsäure mit einem Alkohol 55 Reaktionsprodukte entfernt werden. Dazu gehört die
unter Bildung eines Esters nach der allgemeinen Durchführung der Umsetzungen in Gegenwart von
Formel Verdünnungsmitteln unter Bildung von azeotropen Ge-RCOOH + ROH
> RCOOR'4-H O mischen, die bei einer tieferen Temperatur als das
2 gewünschte Endprodukt sieden, durch Entfernen eines
2. Umsetzung der Carbonsäureanhydride mit Alkoholen 60 unerwünschten Nebenprodukts oder durch Entfernung
nach der allgemeinen Formel des gewünschten Endprodukts, indem überhitzter Dampf
(RCO) O -4-2 R'OH >
2RC00R' + H O 0<^er merte Gase, wie Stickstoff, durch das Reaktions-
2 2 gemisch geleitet werden, oder durch Ausführung der
3. Alkoholyse oder Umesterungsreaktionen zwischen Umsetzungen unter vermindertem oder erhöhtem Druck,
Carbonsäureestern und anderen Alkoholen nach der 65 wobei in letzterem Falle von Zeit zu Zeit belüftet wird,
allgemeinen Formel um die unerwünschten Nebenprodukte entweichen zu
RCOOR' + R"0H > RCOOR" + ROH las^n· . , _, . . , . „ Tr x ,
Die folgenden Beispiele erläutern das Verfahren zur
Bei der zuletzt genannten Umsetzung soll der Alkohol Herstellung von Estern in Gegenwart eines Katalysators
der Formel R" O H einen höheren Siedepunkt als der zu 70 aus hydratisiertem Titandioxyd und die Wirksamkeit
der erfindungsgemäß verwendbaren Titankatalysatoren. Alle Teile sind, wenn nicht anders vermerkt, Gewichtsteile.
Ein Glaskolben, der mit einem Rückflußkühler und einem Abscheider für durch Alkohol verdrängtes Wasser
ausgerüstet ist, wurde mit 420 Teilen Octanol-2,148 Teilen
Phthalsäureanhydrid und 40 Teilen hydratisiertem Titandioxydgel beschickt, das etwa 5 % TiO2 und 95 % Wasser »ο
enthielt. Der Ansatz wurde auf Rückflußtemperatur erhitzt, die so lange beibehalten wurde, bis 99,0% des
Phthalsäureanhydrids zu Di-(2-octyl)-phthalat umgesetzt worden waren. Das Wasser wurde im Verlauf der Umsetzung
ununterbrochen entfernt. Zu Vergleichszwecken wurde die gleiche Umsetzung ohne Katalysator durchgeführt.
Das hydratisierte Titanoxydgel wurde durch Lösen von Titantetrachlorid in Wasser und durch Hydrolysieren
unter Zugabe von zur Ausfällung von hydratisierter Titansäure bzw. des hydratisierten Titandioxydgels
ausreichenden Mengen N H4 O H zu der Lösung hergestellt.
Das ausgefällte Gel wurde von der wäßrigen Lösung abfiltriert und einige Male mit Wasser gewaschen, bis
keine Chloridionen mehr nachgewiesen werden konnten.
Mengen des gleichen Alkohols und Anhydrids wurden zu Vergleichszwecken auch mit 2 g p-Toluolsulfonsäure
als Katalysator umgesetzt.
In der folgenden Tabelle, in welcher der Katalysator, die in der angegebenen Zeit veresterte Carbonsäure in
Prozenten und der Gehalt an dehydratisiertem Alkohol in Prozenten angegeben sind, sind die bei den verschiedenen
Veresterungen erhaltenen Werte angegeben.
35
40
Katalysator | % Ver esterung der Säure |
Zeitdauer in Stunden |
Überschüssiger dehydratisierter Alkohol |
kein | 90 99 93 |
37 13 6 |
10% nach 37 Stunden 15% nach 13 Stunden 92% nach 6 Stunden |
TiO2 | |||
p-Toluolsulfon- säure |
|||
Beispiele 3 bis 7
Das in den folgenden Beispielen 3 und 4 als Katalysator verwendete Titandioxyd wurde in Gelform aus
handelsüblichem Titansulfat hergestellt, das das Äquivalent von etwa 50% Titansulfat, 25% Schwefelsäure
und 25% Wasser enthielt. Das Titansalz wurde mit NH4OH unter Bildung eines hydratisierten Titandioxydgels
hydrolysiert, das dann mit Wasser gewaschen wurde, bis im Filtrat keine Sulfationen mehr nachzuweisen
waren.
Die in den Beispielen 5, 6 und 7 verwendeten Titandioxydkatalysatoren
wurden wie folgt hergestellt:
Beispiel 5: Titandioxyd in Gelform mit einer berechneten
Konzentration an TiO2 von 18,1 Gewichtsprozent, hergestellt durch Hydrolyse von Titansulfat, wurde
1,5 Stunden bei 1200C getrocknet.
Beispiel 6: Titandioxyd in Gelform, das durch Hydrolyse
von Titansulfat hergestellt worden war, wurde im Vakuum bei 26,7° C getrocknet, wobei ein feuchtes
Pulver erhalten wurde, das beim Dispergieren in Wasser unter Rühren nicht mehr in den Gelzustand zurückgeführt
wird. Die Konzentration an TiO2 in dem feuchten
Pulver betrug nach der Analyse 76 Gewichtsprozent.
Beispiel 7: Titandioxyd in Gelform, das durch Hydrolyse von Titansulfat erhalten worden war, wurde durch
2stündiges Erhitzen auf 177° C dehydratisiert, wobei ein
praktisch wasserfreies TiO2 erhalten wurde.
Bei jedem Versuch wurde 1 Mol Phthalsäureanhydrid mit 3 Mol 2-Äthylhexanol bei Rückflußtemperatur umgesetzt.
Die Katalysatormenge wurde so bemessen, daß sie je 2 g trockenem TiO2 entsprach.
In der folgenden Tabelle, in welcher der Katalysator und die erforderliche Zeitdauer bis zu einem Umsatz von
99% der Phthalsäure zu Di-(2-äthylhexyl)-phthalat vermerkt sind, sind die erhaltenen Werte angegeben.
Bei Verwendung von p-Toluolsulfonsäure als Katalysator ist es sehr schwierig, eine 99 %ige Veresterung der
Säure ohne einen sehr großen Verlust an Alkohol durch Dehydratisierung zu erzielen. Ohne Katalysator ist die
Endgeschwindigkeit der Veresterung sehr gering, so daß eine sehr lange Reaktionsdauer erforderlich ist, um eine
99 %ige Veresterung der Carbonsäure zu erreichen.
Ein Glaskolben, der mit einem Rückflußkühler, einem Rührer und einem Abscheider für durch Alkohol verdrängtes
Wasser ausgerüstet ist, wurde mit 148 Teilen Phthalsäureanhydrid, 390 Teilen 2-Äthylhexanol und
40 g hydratisiertem Titandioxydgel-Katalysator, der etwa 5% TiO2 enthielt, beschickt. Der Ansatz wurde
auf Rückflußtemperatur erhitzt und dabei gehalten, bis 99,0% des Phthalsäureanhydrids zu Di-(2-äthylhexyl)-phthalat
umgesetzt worden waren. Das Wasser wurde ununterbrochen im Verlauf der Reaktion entfernt. Die
Carbonsäure wurde in wenig mehr als einer Stunde zu 99% verestert.
45 Vergleich
3
4
5
6
3
4
5
6
Katalysatorkonzentration
TiO2
(4 bis 5«/0 TiO2)
(4 bis 5«/0 TiO2)
TiO2-GeI
(10 Gewichtsprozent Ti O2)
(10 Gewichtsprozent Ti O2)
TiO2-GeI
(18 Gewichtsprozent Ti O2)
(18 Gewichtsprozent Ti O2)
TiO2, feuchtes Pulver (76 Gewichtsprozent Ti O2)
TiO2
wasserfreies Pulver
(100 GewichtsprozentTiOg)
(100 GewichtsprozentTiOg)
Zeitdauer in
Stunden bis zu
einer Umwandlung
von 99 % der Säure
zum Diester
19,0 (etwa 90 % Ester)
1,83
1,83 bis 2,00 2,50 4,66
19,0 (etwa 90% Ester)
60 Diese Beispiele zeigen, daß die in einem höheren Quellungszustand befindlichen zusammengeballten Gele
der hydratisierten Titanoxyde das höchste Maß an katalytischer Wirksamkeit zeigen und daß die katalytische
Wirksamkeit der Titanoxyde im Gelzustand verringert wird, wenn der Wassergehalt der Gele abnimmt.
Die Beispiele erläutern ferner die Tatsache, daß die Titanoxydgele, obwohl sie bis zu einem Grad dehydratisiert
worden sind, bei dem die kennzeichnende Gelform in die eines feuchten Pulvers übergeführt
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung von Carbonsäureestern
durch Umsetzen einer organischen Verbindung, die mindestens eine Acyloxygruppe enthält, mit einem
Alkohol im flüssigen Zustand bei erhöhter Temperatur in Gegenwart von Ver- oder Umesterungskatalysatoren
und unter sofortiger Entfernung des Wassers oder Alkohols aus dem Reaktionsgemisch, dadurch
gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in Gegenwart von 0,01 bis etwa 10 Gewichtsprozent hydratisiertem
Titandioxyd, bezogen auf die Acyloxygruppen enthaltende Verbindung, durchführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Katalysator in einer Menge
von etwa 0,01 bis 1 Gewichtsprozent, bezogen auf die Verbindung mit mindestens einer Acyloxygruppe,
verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung mit mindestens
einer Acyloxygruppe eine Carbonsäure, ein Carbonsäureanhydrid oder ein Ester aus einem Alkohol und
einer Carbonsäure ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß man eine Polycarbonsäure und einen mehrwertigen Alkohol unter Bildung eines Polyesters
umsetzt.
© 109 538/575 3.61
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US1103335XA | 1955-10-13 | 1955-10-13 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1103335B true DE1103335B (de) | 1961-03-30 |
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ID=22332444
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DEG20728A Pending DE1103335B (de) | 1955-10-13 | 1956-10-13 | Verfahren zur Herstellung von Carbonsaeureestern |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE1103335B (de) |
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