DE19621741C2 - Stationäre Phase für die Chromatographie - Google Patents

Stationäre Phase für die Chromatographie

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Description

Die Erfindung betrifft eine stationäre Phase für die Chroma­ tographie, insbesondere für die Flüssigkeitschromatographie, die eine chemische Modifizierung aufweist, sowie ein Verfah­ ren zur Herstellung einer solchen modifizierten stationären Phase.
Als stationäre Phasen in der Flüssigkeitschromatographie wer­ den vor allem verschiedene Polymere, Aluminiumoxide (Al2O3), Kieselgele (SiO2) und insbesondere auch modifizierte Kiesel­ gele eingesetzt, die auf die Einsatzgebiete abgestimmte For­ men, Größenverteilungen der Teilchen und Porositäten aufwei­ sen. Die modifizierten Kieselgele werden dabei durch Umset­ zung der freien Si-OH-Gruppen mit geeigneten substituieren Mono-, Di- bzw. Trichlorsilanen hergestellt, wobei die ent­ standene stationäre Schicht chemisch an das Kieselgel gebun­ den ist und somit nicht ausgewaschen werden kann. Weiterhin gibt es auch Phasen, die durch Zugabe geeigneter Verbindungen zur mobilen Phase reversibel modifiziert werden können (dyna­ mische Modifizierung).
Dendrimere Pfropfpolymerisate auf der Grundlage von hydroxylgruppenhaltigen Basisträgern mit kovalent gebundenen Polymeren, die an den Verzweigungsstellen von Acrylsäure extern abgebildete Monomereinheiten aufweisen, sind aus der DE 43 34 351 A1 bekannt.
Bei der chemischen Modifizierung der Kieselgele ist die er­ reichbare Dichte an funktionellen Gruppen limitiert durch die Zahl der freien Si-OH-Gruppen, durchschnittlich 4,8 pro nm2, wobei aufgrund des Platzbedarfs der angreifenden Reagenzien diese nicht einmal vollständig umgesetzt werden können. Ziel der Erfindung ist es deshalb, eine stationäre Phase so zu mo­ difizieren, daß sie über eine möglichst große Anzahl von das Trennverhalten beeinflussenden funktionellen Gruppen und/oder eine möglichst große stationäre Schicht verfügt und somit verbesserte Trenneigenschaften erhält.
Dieses Ziel ist dadurch erreichbar, daß die stationäre Phase chemisch gebundene Dendrimere oder Dendrone auf Basis von Triazingruppen aufweist.
Die chemische Bindung der Dendrimere oder Dendrone, die ein­ zelne Dendrimer-Äste darstellen, verhindert dabei das "Auswa­ schen" oder "Ausbluten" des Modifizierungsmittels.
Dendrimere sind dreidimensionale, hochgeordnete Oligomere oder Verbindungen, die im Gegensatz zu normalen Polymeren keine breite Molmassenverteilung aufweisen, und in ihrer Außensphäre über eine große Zahl funktioneller Gruppen verfü­ gen. Dendrimere bestehen aus einem Kern einer vorgegebenen Funktionalität, der eine der Funktionalität entsprechenden Zahl von Dendronen gebunden aufweist. Die Dendrone bestehen ihrerseits aus sich in der Regel nach außen verzweigenden Wiederholungseinheiten definierten Aufbaus und definierter Abfolge.
Für Dendrimere gibt es bislang eine Reihe von Anwendungsvor­ schlägen auf verschiedenen Gebieten, darunter auch auf dem Gebiet der Chromatographie. Hier ist aber bisher lediglich der Einsatz als Bestandteil der mobilen Phase in der elektro­ kinetischen Chromatographie beschrieben worden:
Patent JP 05 322 849 A2 (Chem. Abstracts 120 : 314962);
Tanaka; T. Tanigawa; K. Hosoya; K. Kimata; T. Araki und S. Terabe, Chem. Lett., (1992), 959-962
G. H. M. Muijselaar; H. A. Claessens und C. A. Cramers, J. High Resolut. Chromatogr., 18 (1995), 121-123;
Castagnola; L. Cassiano; A. Lupi; I. Messana; M. Patamia; R. Rabino; D. V. Rosssetti und B. Giardina, J. Chromatogr., A, 694 (1995), 463-469;
A. Kuzdzal; C. A. Monnig; G. R. Newkome und C. N. Morefield, J. Chem. Soc., Chem. Commun., (1994) 2139-2140.
Die Synthese von Dendrimeren kann nach der divergenten oder konvergenten Methode vorgenommen werden. Bei der divergenten Synthese geht man von einem di- oder polyfunktionellen Kern aus. Durch sich wiederholende Synthesesequenzen werden an­ schließend die einzelnen Generationen sukzessive an den Kern bzw. an die funktionellen Gruppen der Vorgängergeneration an­ gekoppelt. Der Aufbau der Dendrone erfolgt dabei vom Kern ausgehend nach außen.
Bei der konvergenten Methode beginnt die Synthese mit der äußeren Schale oder Generation. Die einzelnen Bausteine wer­ den in einer entsprechenden Reaktionsfolge mit den Verzwei­ gungsstellen der nächsten inneren Generation verbunden. Das erhaltende Produkt wird wiederum mit den Verzweigungselemen­ ten der nächsten Generation gekuppelt und diese Zyklen werden solange wiederholt, bis die gewünschte Generationenzahl er­ reicht ist. Zuletzt werden die so erhaltenden Dendrone an einen Kern gebunden. Als Kern, an die Dendrone oder Dendri­ mer-Äste gebunden werden, kommen dabei mono-, di- oder poly­ funktionelle Moleküle in Frage.
Zur Synthese wird insbesondere auch auf die DE 195 28 882 A1 und die darin genannte Literatur verwiesen.
Schematisch kann man eine modifizierte Dendrimer- bzw. Den­ dron-Phase darstellen, wie in Fig. 1 wiedergegeben. Dabei hängt die Zahl a der in der Außensphäre vorhandenen funktio­ nellen Gruppen - unter Annahme eines idealen Aufbaus - von der Zahl der Generationen n, beginnend mit n = 1, von der Funk­ tionalität der Verzweigungseinheit f und der Funktionalität m ab. Das einzelne Dendron läßt sich nach der Formel berechnen:
a = fn
und für das Dendrimer nach
a = mfn - 1.
Neben der Wechselwirkung des Soluten mit den in hoher Zahl vorhandenen funktionellen Gruppen werden die Trenneigenschaf­ ten der stationären Phase auch durch Wechselwirkung mit den Bestandteilen des Dendrimer- bzw. Dendron-Inneren beeinflußt. Zusätzlich können die Trenneigenschaften noch durch die Ab­ schirmung nicht umgesetzter Ankergruppen der stationären Phase, etwa der Si-OH-Gruppen des Kieselgels, als Folge des Raumbedarfs der Dendrimer- bzw. Dendron-Einheiten verändert werden.
Die erfindungsgemäß modifizierten stationären Phasen für die Chromatographie enthalten chemisch gebundene Dendrimere oder Dendrone auf Basis von Triazin­ gruppen, insbesondere solche, die man als Poly(melamin)dendrimere oder -den­ drone bezeichnen kann. Diese Poly(melamin)dendrimere beruhen auf substituierten 1,3,5-Triazinen, die über die Positionen 2, 4 und 6 und über Spacergruppen zu Dendrimeren bzw. Dendronen verbunden sind und in ihrer äußeren Sphäre geeignet funktionalisiert sind. Geeignete Spacergruppen sind insbesondere von Diaminen der Formei H2N-R-NH2 abgeleitete Gruppen, in denen R ein beliebiger zweiwertiger Kohlenwasserstoffrest mit bis zu 20 C-Atomen ist.
In ihrer äußeren Sphäre sind die Dendrimere oder Dendrone durch Strukturein­ heiten der Formel
funktionalisiert, worin Y für Halogen, OR1 oder NR2R3 steht, wobei R1 H unsub­ stituiertes oder substituiertes Alkyl mit 1 bis 20 C-Atomen oder unsubstituiertes oder substituiertes Aryl mit bis zu 10 C-Atomen bedeutet, und R2 und R3, die gleich oder verschieden sein können, H, unsubstituiertes oder substituiertes Alkyl mit 1 bis 20 C-Atomen, unsubstituiertes oder substituiertes Cycloalkyl mit 3 bis 6 C-Atomen, unsubstituiertes oder substituiertes Aryl mit 6 bis 10 C-Atomen oder unsubstitu­ iertes oder substituiertes Aralkyl mit bis zu 10 C-Atomen bedeutet. Je nach Zahl der Generationen des Dendrimeren oder Dendrons ergibt sich eine Vervielfältigung der an der eigentlichen stationären Phase zur Verfügung stehenden funktionalisier­ baren Stellen.
Wie vorstehend festgestellt, können die Gruppen R1, R2 und/oder R3 weiter substituiert sein, insbesondere durch OH, OR1, NH2, CN oder COOR1, wobei R1 die vorstehend angegebene Bedeutung hat.
Als stationäre Phase, die besonders gut für die Modifizierung über Dendrimere oder Dendrone geeignet ist, sei hier Kiesel­ gel genannt, wobei insbesondere ein mit -NH2 funktionalisier­ tes Kieselgel für die Anwendung der Poly(melamin)dendrimere und -dendrone geeignet ist. Die Dendrimer- bzw. Dendron-Ein­ heit kann aus einer Generation bestehen, sollte zweckmäßiger­ weise wenigstens zwei Generationen aufweisen, um zu einer ge­ nügend hohen Funktionalisierung zu kommen, wobei die Zahl der Generationen naturgemäß auch die Funktionalität der Dendri­ merbausteine berücksichtigt.
Die erfindungsgemäß funktionalisierten und modifizierten sta­ tionären Phasen eignen sich besonders für die Flüssigkeits­ chromatographie. Genannt seien hier die Dünnschichtchromato­ graphie und die Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC).
Die erfindungsgemäße Modifizierung erlaubt es»stationäre Phasen speziell auf ihren Einsatz in der Normal-, Umkehrphasen-, Ionen-, Ionenaustausch-, Ionenpaar-, Chiralen- oder Affinitäts-Chromatographie zu gestalten.
Für die erfindungsgemäße Modifizierung der stationären Phase bieten sich zwei Vorgehensweisen an.
Zum einen wäre dies der Aufbau des Dendrimers/Dendrons nach der vorstehend beschriebenen divergenten oder konvergenten Synthesemethode und die anschließende Kopplung des fertigen Dendrimers oder Dendrons an die stationäre Phase, wobei die Kopplung von Dendronen an ein polymeres Rückgrad an für sich bekannt ist, siehe beispielsweise US 4 871 779 A oder Chem. Abstracts CA 113 (4) 25071p.
Zum anderen wäre dies die Umsetzung der stationären Phase mit Bausteinen, die die Verzweigungseinheit enthalten und der nachfolgende Aufbau des Dendrons ausgehend von dieser Verzweigungseinheit. Diese Syntheseweise entspricht weit­ gehend der "Festphasen-Sythese" von Dendronen an einem Substrat, beispiels­ weise einem Merrifield-Harz, wobei aber erfindungsgemäß das synthetisierte Dendron nicht vom Substrat abgelöst wird und noch ein Funktionalisierungsschritt angeschlossen wird.
Die Produkte, die man nach diesen Vorgehensweisen erhält, können nachfolgend durch geeignete Umsetzungen in ihrer äußeren Funktionalität verändert werden.
Erfindungsgemäß werden die modifizierten stationären Phasen dadurch hergestellt, daß ein Dendrimer oder Dendron chemisch an ein funktionalisiertes Substrat gekuppelt wird. Dabei kann das Dendrimer oder Dendron nach bekannter divergenter oder konvergenter Verfahrensweise hergestellt sein und an das Sub­ strat gekuppelt werden, oder auch schrittweise am Substrat selbst aufgebaut werden. Für den Fall, daß die Hausteine des Dendrimers oder Dendrons die gewünschte Funktionalität noch nicht aufweisen, kann die äußere Phase mit der gewünschten chemischen Funktion modifiziert werden.
Besonders bevorzugt ist eine Verfahrensweise, die man auf der gepackten Säule durchführt, jedoch kann die Synthese in jedem geeignetem Reaktionsgefäß mit anschließendem Packen der Säule oder Beschichten der Platte vorgenommen werden.
Ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer mit Dendronen modifizierten stationären Phase für die Chromato­ graphie ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat mit freien NH2-Gruppen, insbesondere ein NH2-modifiziertes Kie­ selgel, mit einem Cyanursäurederivat der allgemeinen Formel
umgesetzt wird und anschließend mit einem polyfunktionellen Amin der Formel
NH2-R-NH2
wobei die Reaktionssequenz entsprechend der Zahl der ge­ wünschten Generationen wiederholt werden kann und X für Halo­ gen oder unsubstituiertes oder substituiertes Alkoxy mit bis 20 C-Atomen oder Aryloxy mit bis zu 10 C-Atomen steht, und R ein zweiwertiger Alkylenrest mit bis zu 20 C-Atomen, Cycloal­ kylenrest mit bis zu 20 C-Atomen oder Arylenrest mit bis zu 15 C-Atomen ist.
Um zu einer anderen Funktionalität in der äußeren Sphäre zu kommen, können im Anschluß an den Aufbau des Dendrons nicht umgesetzte Gruppen X des Cyanursäurederivats durch Reaktion mit einem Amin der Formel NHR2R3 umgesetzt werden, wobei R2 und R3 die oben angegebene Bedeutung haben.
Besonders zweckmäßig ist es, das vorstehend genannte Verfah­ ren schrittweise, unter Aufbau der einzelnen Generationen nacheinander, auf der gepackten Chromatographiesäule durch­ zuführen.
Bei der Modifizierung stationärer Phasen mit dendritischen Poly(melamin)einheiten geht man von Materialien mit freien Amin-Gruppen aus. Dies können beispielsweise Amin-modifi­ zierte Kieselgele sein, aber auch beliebige Harze mit freien Amin-Gruppen. Im ersten Schritt werden diese Amin-Gruppen mit der Trazinverbindung der Formel
umgesetzt, worin X für ein Halogen oder einen unsubstituier­ ten oder substituierten Alkoholat- oder Phenolat-Rest steht. Im nächsten Schritt werden die verbliebenen Substituenten X mit Diaminen der Formel H2N-R-NH2 umgesetzt. Dabei ist es möglich, eine der NH2-Gruppen zu schützen, jedoch kann hier­ auf auch verzichtet werden, da es auf einen absoluten idealen Aufbau dendritischer Strukturen für den durch die Erfindung erstrebten Effekt nicht ankommt. Zudem enthält das Substrat NH2-Gruppen im Überschuß.
Durch Wiederholung dieser beiden Schritte werden die nächsten Generationen aufgebaut. Nach dem Erreichen der gewünschten Generationenzahl, im allgemeinen 2 bis 6, können die in der Außensphäre verbliebenden Substituenten X mit einem Amin der Formel NHR2R3 umgesetzt werden, worin R2 und R3 unabhängig voneinander H oder einen Alkyl-, Cycloalkyl- oder aromati­ schen Rest bedeuten, der ggfs. substituiert sein kann, insbe­ sondere durch OH, NH2, CN, COOH oder COOR1. Durch die Wahl entsprechender Gruppen für R2 und R3 kann die Außensphäre nach Wunsch und anlog zu bekannten Phasen auf Basis von bei­ spielsweise Kieselgel gestaltet werden, wobei aber die Zahl der funktionellen Gruppen stark erhöht ist. Eine Modifizie­ rung mit chiralen Aminen oder aminhaltigen Liganden (Effekto­ ren) ist ebenfalls möglich, so daß man Phasen für die chirale Chromatographie bzw. für die Affinitätschromatogra­ phie erhält.
Naturgemäß ist es ebenfalls möglich, zunächst Dendrimere bzw. Dendrone nach der divergenten oder konvergenten Methode auf­ zubauen und anschließend über die funktionellen Gruppen, sei es in der Außensphäre oder am Kern, an das Substrat anzukop­ peln. Auch in diesem Fall kann das fertige Dendrimer oder Dendron auf einer schon gepackten Säule reaktiv angebunden werden.
Alle Reaktionsschritte werden bei für solche Reaktionen übli­ chen Bedingungen durchgeführt, wobei die Temperaturen bei Raumtemperatur oder höheren Temperaturen liegen, insbesondere bei 20 bis 80°C, bis hinab zu -20°C. Die Reaktanten werden vorzugsweise gelöst in einem geeignetem Lösungsmittel einge­ setzt, jedoch sind auch Reaktionen in Substanz oder in der Schmelze, bei bis zu 200°C, möglich. Im Falle, daß X für Ha­ logen steht, ist es erforderlich, eine Base zum Abfangen des entstehenden Halogenwasserstoffs zuzusetzen, beispielsweise Pyridin, Alkali- oder Erdalkalicarbonate, -hydrogencarbonate oder -hydroxide oder auch ein Trialkylamin.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Ausführungsbei­ spiele näher erläutert.
Ausführungsbeispiele
Ausgegangen wurde von einer kommerziell erhältlichen 250 mm × 4 mm HPLC-Säule mit Nucleosil 100 -NH2 5 µm als Füllung. Laut Herstellerangabe beträgt die Säulenfüllung ca. 2,5 g. Bei einer spezifischen Oberfläche von 350 m2 und 2,5 µmol NH2-Gruppen/m2 ergibt sich für die HPLC-Säule ein Gehalt 2188 µmol NH2-Gruppen.
1) Umsetzung mit Tris-phenoxy-triazin
Mittels einer HPLC-Pumpe wird bei Raumtemperatur eine Lösung von Tris-phenoxy-triazin in THF (c = 6,8 g/L) im Kreislauf durch die Säule gepumpt. Das Fortschreiten der Umsetzung wurde durch Messen des Gehaltes an freigesetztem Phenol ver­ folgt. Nach 15 Tagen war die Phenol-Entwicklung beendet und die Säule wurde wie unten beschrieben charakterisiert.
2) Umsetzung mit 1,6-Diaminohexan
Mittels einer HPLC-Pumpe wird bei Raumtemperatur eine Lösung von 1,6-Diaminohexan in THF (c = 58,1 g/L) im Kreislauf durch die Säule gepumpt. Das Fortschreien der Umsetzung wurde durch Messen des Gehaltes an freigesetztem Phenol verfolgt. Nach 15 Tagen war die Phenol-Entwicklung beendet und die Säule wurde wie unten beschrieben charakterisiert.
3) Umsetzung mit Tris-phenoxy-triazin
Mittels einer HPLC-Pumpe wird bei Raumtemperatur eine Lösung von Tris-phenoxy-triazin in THF (c = 6,8 g/L) im Kreislauf durch die Säule gepumpt. Das Fortschreiten der Umsetzung wurde durch Messen des Gehaltes an freigesetztem Phenol ver­ folgt. Nach 17 Tagen war die Phenol-Entwicklung beendet und die Säule wurde wie unten beschrieben charakterisiert.
4) Umsetzung mit 1,6-Diaminohexan
Mittels einer HPLC-Pumpe wird eine Lösung von 1,6-Diamino­ hexan in THF (c = 58,1 g/L) im Kreislauf durch die auf 60°C temperierte Säule gepumpt. Das Fortschreiten der Umsetzung wurde durch Messen des Gehaltes an freigesetztem Phenol ver­ folgt. Nach 3 Tagen war die Phenol-Entwicklung beendet und die Säule wurde wie unten beschrieben charakterisiert.
Charakterisierung der unmodifizierten und der verschieden modifizierten Säulen
Vor der Charakterisierung wurde die Säule jeweils mit 100 mL THF, 100 mL Wasser und wieder mit 100 mL THF gespült.
Die Charakterisierung der stationären Phase wurde jeweils mit reinem Heptan (an der Luft mit Wasser gesättigt) bei einem Fluß von 0,5 mL/min durchgeführt. Dabei wurde die Säule auf 30°C temperiert.
k'-Werte der NH2-modifizierten Säulen:
Bodenzahl-Werte der NH2-modifizierten Säulen:
k'-Werte der OPhenyl-modifizierten Säulen:
theoretische Bodenzahl der OPhenyl-modifizierten Säulen:

Claims (14)

1. Stationäre Phase für die Chromatographie mit einer Modifizierung durch chemisch gebundene Dendrimere oder Dendronen, dadurch gekennzeichnet, daß sie Dendrimere oder Dendrone auf Basis von Triazingruppen aufweist.
2. Stationäre Phase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Modi­ fizierung mit Poly(melamin)dendrimeren oder -dendronen aufweist.
3. Stationäre Phase nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die äußere Sphäre der Dendrimere oder Dendrone Strukturein­ heiten der Formel enthält
worin Y für Halogen, OR1 oder NR2R3 steht, R1H, unsubstituiertes oder substitu­ iertes Alkyl mit 1 bis 20 C-Atomen oder unsubstituiertes oder substituiertes Aryl mit bis zu 10 C-Atomen ist, und R2 und R3, die gleich oder verschieden sein können, H, unsubstituiertes oder substituiertes Alkyl mit 1 bis 20 C-Atomen, unsubstituiertes oder substituiertes Cycloalkyl mit 3 bis 6 C-Atomen, unsubsti­ tuiertes oder substituiertes Aryl mit 6 bis 10 C-Atomen, oder unsubstituiertes oder substituiertes Aralkyl mit bis zu 10 C-Atomen ist.
4. Stationäre Phase nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen R2 und/oder R3 durch OH, OR1, NH2, CN oder COOH substituiert sind.
5. Stationäre Phase nach einem der vorstehenden Ansprüche auf Basis von funk­ tionalisiertem Kieselgel.
6. Stationäre Phase nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kieselgel mit -NH2 funktionalisiert ist.
7. Stationäre Phase nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dendrimer oder Dendron wenigstens zwei Generationen auf­ weist.
8. Verfahren zur Herstellung einer stationären Phase nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dendrimer oder Dendron auf Basis von Triazingruppen chemisch an ein funktionalisierendes Substrat gekoppelt wird.
9. Verfahren zur Herstellung einer stationären Phase nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat mit freien NH2-Gruppen mit einem Cyanursäurederivat der allgemeinen Formel
umgesetzt wird und anschließend mit einem polyfunktionellen Amin der Formel
NH2-R-NH2
wobei die Reaktionssequenz entsprechend der Zahl der gewünschten Genera­ tionen wiederholt werden kann und X für Halogen oder unsubstituiertes oder substituiertes Alkoxy mit bis zu 20 C-Atomen oder unsubstituiertes oder substi­ tuiertes Aryloxy mit bis zu 10 C-Atomen steht und R ein Alkylenrest mit bis zu 20 C-Atomen, Cycloalkylenrest mit bis zu 20 C-Atomen oder Arylenrest mit bis zu 15 C-Atomen ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß nicht umgesetzte Gruppen X des Cyanursäurederivats durch Reaktion mit einem Amin der Formel NHR2R3 umgesetzt werden, wobei R2 und R3, die gleich oder verschie­ den sein können, für H, unsubstituiertes oder substituiertes Alkyl mit 1 bis 20 C- Atomen, unsubstituiertes oder substituiertes Cycloalkyl mit 3 bis 6 C-Atomen, unsubstituiertes oder substituiertes Aryl mit 6 bis 10 C-Atomen, unsubstituiertes oder substituiertes Aralkyl mit bis zu 10 C-Atomen stehen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Sphäre des Dendrimers oder Dendrons durch OH, NH2, CN oder COOH modifiziert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat NH2-modifiziertes Kieselgel verwandt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion auf der gepackten Chromatographiesäule stattfindet.
14. Verwendung der stationären Phase nach einem Ansprüche 1 bis 7 für die Flüssigkeitschromatographie.
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