DE2161995C3 - Process for the preparation of benzotrifluoride or its derivatives - Google Patents
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Description
Verbindungen, die eine Trifluormethylgruppe am Benzolkern besitzen, können bekanntlich durch Umsetzung der entsprechenden Trichlormethylverbindungen mit Fluorwasserstoff nach der folgenden Gleichung hergestellt werden:Compounds which have a trifluoromethyl group on the benzene nucleus can, as is known, by reaction the corresponding trichloromethyl compounds with hydrogen fluoride according to the following equation getting produced:
cn,cn,
K,K,
R,R,
ClCl
3HC!3HC!
Um die Reaktion im technischen Maßstab mit der nötigen Reaktionsgeschwindigkeit durchführen zu können, wird dieselbe bisher bei Temperaturen über 800C vorgenommen. Man arbeitet beispielsweise gemäß dem in J. Chem. Soc. Supplementary Issue, Nr. 1 (1949), S. 95, 4s vorgeschlagenen Verfahren und setzt so Benzotrichlorid mit Fluorwasserstoff bei einer Temperatur von 80 bis 1100C, einem Druck von 13 bis 15 at und einem Molverhältnis von Fluorwasserstoff zu Benzotrichlorid von 4: 1 um. Bei einer Reaktionszeit von etwa so 4 Stunden liegt dabei die Ausbeute bei 70 Molprozent, bezogen auf das eingesetzte Benzotrichlorid. Es ist auch schon beschrieben worden, die Umsetzung in einem Strömungsrohr aus Nickel bei Temperaturen von 120 bis 1300C und Drücken von 40 bis 50 at durchzuführen ss und die Abtrennung des gebildeten Chlorwasserstoffs in einer nachgeschalteten Destillationsapparatur vorzunehmen (DT-OS 16 18 390). Diese Verfahren haben jedoch den großen Nachteil, daß bei der Durchführung der Reaktion in Stahlapparaturen häufig Verharzungs- f>o produkte im erheblichen Umfang entstehen, so daß die Ausbeute an Benzotrifluorid ohne erkennbaren Anlaß auf Ausbeuten unter 50 Molprozent sinken kann. Es wurde daher schon beschrieben, die Umsetzung in Gegenwart von Hexamethylentetramin durchzuführen f><, (DT-OS 19 65 782); es bleibt aber weiterhin der Nachteil, daß der Fluorwasserstoff bei Temperaturen über 80°C an Stahlapparaturen eine beträchtliche 995To the reaction on an industrial scale with the necessary responsiveness perform, is made the same date at temperatures above 80 0 C. One works, for example, according to the in J. Chem. Soc. Supplementary Issue, No. 1 (1949), p. 95, 4s proposed method and thus uses benzotrichloride with hydrogen fluoride at a temperature of 80 to 110 0 C, a pressure of 13 to 15 at and a molar ratio of hydrogen fluoride to benzotrichloride of 4: 1 um. With a reaction time of about 4 hours, the yield is 70 mol percent, based on the benzotrichloride used. It has also already been described to carry out the reaction in a flow tube made of nickel at temperatures of 120 to 130 ° C. and pressures of 40 to 50 atmospheres and to separate off the hydrogen chloride formed in a downstream distillation apparatus (DT-OS 16 18 390) . However, these processes have the major disadvantage that when the reaction is carried out in steel apparatus, a considerable amount of resinous products is often formed, so that the yield of benzotrifluoride can drop to yields below 50 mol percent for no apparent reason. It has therefore already been described to carry out the reaction in the presence of hexamethylenetetramine f><, (DT-OS 19 65 782); However, the disadvantage still remains that the hydrogen fluoride at temperatures above 80 ° C in steel equipment a considerable 995
korrosion bewirken kann und gegebenenfalls ein erheblicher apparativer Aufwand bei höheren Drücken erforderlich wird.can cause corrosion and possibly a considerable outlay on equipment at higher pressures is required.
Es wurde deshalb versucht, die Reaktion bei niedrigeren Temperaturen und Drücken durchzuführen; die technische Bedeutung dieser Verfahrensvorschläge ist aber gering, da auch bei langen Reaktionszeiten nur verhältnismäßig geringe Ausbeuten erhalten werden (J. Appl. Chem. 2 [1952], S. 99). Eine gewisse Verbesserung gegenüber den älteren, bei niedrigen Temperaturen durchgeführten Verfahren zeigt das der USA.-Patentschrift 31 36 822 auf. Es handelt sich hier um ein bei Atmosphärendruck unterhalb 190C durchgeführtes Verfahren, wobei Benzotrichlorid in den im stöchiometrischen Überschuß vorgelegten Fluorwasserstoff eingerührt wird. Aber auch hierbei werden verhältnismäßig lange Reaktionszeiten benötigt. Nachteilig wirkt sich bei diesen Verfahren auch aus, daß beim Arbeiten bei niederen Drücken eine große Menge Fluorwasserstoff und organische Reaktionsprodukte mit dem Chlorwasserstoff entweichen, so daß eine kostspielige Auftrennung des aus dem Reaktionsgefäß austretenden Gasgemisches erforderlich wird.Attempts were therefore made to carry out the reaction at lower temperatures and pressures; however, the technical importance of these process proposals is minor, since only relatively low yields are obtained even with long reaction times (J. Appl. Chem. 2 [1952], p. 99). The US Pat. No. 3,136,822 shows a certain improvement over the older processes carried out at low temperatures. This is a process carried out at atmospheric pressure below 19 ° C., benzotrichloride being stirred into the stoichiometric excess of hydrogen fluoride. But here too, relatively long response times are required. Another disadvantage of this process is that when working at low pressures, a large amount of hydrogen fluoride and organic reaction products escape with the hydrogen chloride, so that an expensive separation of the gas mixture emerging from the reaction vessel is necessary.
Aus der USA.-Patentschrift 31 36 822 ist ferner zu entnehmen, daß Versuche, in einem Autoklav aus einer korrosionsfesten Nickel-Kupfer-Legierung unter Schütteln Benzotrichlorid mit der 1,7- bis 3,3fachen Menge des theoretisch erforderlichen Fluorwasserstoffs bei Maximaltemperaturen zwischen 40 und 65CC und sich dabei ergebenden Drücken zwischen 19 und 33 at umzusetzen, zu keinen reproduzierbaren Ergebnissen führten. Bei den zwischen etwa 5 und 16 Stunden laufenden Versuchen lagen nämlich die Ausbeuten zwischen 0 und 65 Molprozent, bezogen auf das eingesetzte Benzotrichlorid. Es fand entweder überhaupt keine oder nur eine langsamverlaufende Reaktion statt, ohne daß ein Grund für diese Schwankungen sichtbar war.From the United States patent 31 36 822 it can also be seen that attempts to shake benzotrichloride in an autoclave made of a corrosion-resistant nickel-copper alloy with 1.7 to 3.3 times the amount of theoretically required hydrogen fluoride at maximum temperatures between 40 and 65 C C and the resulting pressures between 19 and 33 at, did not lead to reproducible results. In the experiments, which lasted between about 5 and 16 hours, the yields were between 0 and 65 mol percent, based on the benzotrichloride used. Either no reaction at all or only a slow reaction took place without any apparent reason for these fluctuations.
Völlig überraschend wurde nun gefunden, daß man das Verfahren zur Herstellung von Benzotrifldorid oder dessen Derivaten durch Umsetzung des entsprechenden Benzolrichlorids mit Fluorwasserstoff schnell und praktisch quantitativ durchführen kann bei Temperaturen unterhalb 6O0C und einem Druck, bei welchem Chlorwasserstoff aus dem Reaktionsgemisch abdestillieren kann, ohne daß wesentliche Mengen der anderen Reaktionsteilnehmer mit überdestillieren. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man in einem mit einem Rückflußkühler versehenen Druckgefäß Benzotrichlorid bzw. dessen Derivat mit der mindestens 3fach theoretisch erforderlichen Menge Fluorwasserstoff bei 20 bis 600C und einem Druck zwischen 3 und 20 at in Gegenwart von metallischem Eisen oder Eisenverbindungen intensiv durchmischt, den bei der Reaktion entstehenden Chlorwasserstoff bei Reaktionsdruck abbläst, nach beendeter Reaktion aus dem Druckgefäß das sich als untere Phase abscheidende Benzotrifluorid bzw. dessen Derivat abtrennt, zu dem im Druckgefäß verbleibenden Fluorwasserstoff erneut Benzotrichlorid bzw. dessen Derivat zugibt und gleichzeitig die verbrauchte Menge an Fluorwasserstoff ergänzt.Entirely surprisingly it has now been found that one can perform the procedure for the preparation of Benzotrifldorid or derivatives thereof by reacting the corresponding Benzolrichlorids with hydrogen fluoride quantitatively fast and practical at temperatures below 6O 0 C and a pressure which can in which hydrogen chloride from the reaction mixture are distilled off without that substantial amounts of the other reactants distill over with. The method is characterized in that with the at least 3 times the theoretically required amount of hydrogen fluoride at 20 at in a vessel equipped with a reflux condenser pressure vessel benzotrichloride or its derivative to 60 0 C and a pressure between 3 and 20 in the presence of metallic iron or iron compounds intensely mixed, the hydrogen chloride formed during the reaction is blown off at reaction pressure, after the reaction has ended, the benzotrifluoride or its derivative separating out as the lower phase from the pressure vessel, benzotrichloride or its derivative is again added to the hydrogen fluoride remaining in the pressure vessel and at the same time the amount consumed Hydrogen fluoride supplements.
Von den Derivaten des Benzotrifluorids können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere die am Benzolkern durch Chlor, Fluor, Carbonyl- oder Isocyanatgruppen substituierten Verbindungen hergestellt werden.Of the derivatives of benzotrifluoride, in particular the compounds substituted on the benzene nucleus by chlorine, fluorine, carbonyl or isocyanate groups will.
Wichtig für die Durchführbarkeit des Verfahrens ist, daß im Reaktionsgem.sch zu Beginn der UmsetzungIt is important for the feasibility of the process that the reaction mixture begins at the beginning of the reaction
Fluorwasserstoff in der mindestens 3fach theoretisch erforderlichen Menge vorhanden ist; bei der Herstellung von Ben2otrifluorid beispielsweise führt das Molverhältnis von Fluorwasserstoff zu Benzotrichlorid von 12 :1 zu ausgezeichneten Ergebnissen.Hydrogen fluoride in at least 3 times theoretical required quantity is available; In the production of ben2otrifluoride, for example, this leads to Hydrogen fluoride to benzotrichloride molar ratio of 12: 1 for excellent results.
Die Reaktion wird bei guter Durchmischung der Reaktionsteilnehmer schon durch verhältnismäßig geringe Mengen metallisches Eisen oder Eisenverbindungen katalysiert. Das metallische Eisen kann in Form feiner oder körniger Teilchen bzw. in Form von Spänen eingesetzt werden. Es genügen aber auch schon die Eisenmengen, welche aus der Innenwandung eines Reaktionsgefäßes aus Eisen als Hauptbestandteil unter den Reaktionsbedingungen abgegeben werden.If the reactants are well mixed, the reaction is already relatively small Amounts of metallic iron or iron compounds catalyzed. The metallic iron can be in shape fine or granular particles or in the form of chips can be used. But that is enough Amounts of iron, which from the inner wall of a reaction vessel made of iron as the main component the reaction conditions are released.
Als Eisenverbindungen können wasserlösliche Eisenverbindungen, wie beispielsweise Eisenhalogenidt oder Eisensulfate, sowie in Wasser unlösliche Verbindungen, wie beispielsweise Eisenoxide oder Eisenhydroxide, dienen.As iron compounds, water-soluble iron compounds, such as iron halide or Iron sulfates, as well as compounds that are insoluble in water, such as iron oxides or iron hydroxides, serve.
Die Umsetzung wird bei einem Druck zwischen 3 und 20 at durchgeführt; bei Drücken unter 3 at geht nämlich der Vorteil, daß der abgeblasene Chlorwasserstoff wenig Fluorwasserstoff enthält, verloren. Drücke über 20 at bringen keinen Vorteil mehr.The reaction is carried out at a pressure between 3 and 20 at; at pressures below 3 at namely works the advantage that the vented hydrogen chloride contains little hydrogen fluoride is lost. Press over 20 at no longer bring any advantage.
Die vorteilhafteste Durchführungsweise besieht darin, daß Temperatur und Druck während der Umsetzung so aufeinander abgestimmt werden, daß beim Reak- »ionsdruck der gebildete Chlorwasserstoff nach Passieren eines gut gekühlten Rückflußkühlers über ein Druckhalteventil entweichen kann. Bei der Herstellung von Benzotrifluond wird beispielsweise bevorzugt bei einem Druck zwischen b und 12 ai gearbeitet und durch eine langsame Erhöhung der Temperatur während der Umsetzung bewirkt, daß bei dem gewählten Druck das Reaktionsende schnell erreicht wird.The most advantageous way of carrying out the reaction is that temperature and pressure are coordinated with one another during the reaction so that at the reaction pressure the hydrogen chloride formed can escape via a pressure-maintaining valve after passing through a well-cooled reflux condenser. In the preparation of benzotrifluond, for example, a pressure between b and 12 ai is preferably used and a slow increase in temperature during the reaction ensures that the end of the reaction is reached quickly at the selected pressure.
Maßgebend für die Geschwindigkeit, mit welcher die Umsetzung vor sich geht, ist die Intensität, mit welcher man das Reaktionsgemisch während der Umsetzung durchmischt. Bekanntlich ist Fluorwasserstoff beispielsweise in Benzotrichlorid nur in geringem Maße löslich. Ohne Durchmischung verläuft die Umsetzung zwischen Benzotrichlorid und Fluorwasserstoff im angegebenen Temperatur- und Druckbereich auch in Gegenwart eines Eisenkatalysators nur mit geringer Geschwindigkeit; nur bei gutem Kontakt der Reaktanten kommt die katalytisch^ Wirkung des Eisens zur Entfaltung. Ohne Durchmischen werden erst bei Temperaturen über 80° C und entsprechend hohen Drücken befriedigende Reaktionsgeschwindigkeiten erzielt; bei diesen Temperaturen kommt es aber in Gegenwart von Eisen zur vermehrten Bildung von Verharzungsprodukten und somit zu Ausbeuteminderungen, so daß hier der Einfluß von Eisen auf die Umsetzung ausgeschaltet werden muß.The decisive factor for the speed with which the implementation takes place is the intensity with which the reaction mixture is mixed during the reaction. It is well known that one example is hydrogen fluoride only slightly soluble in benzotrichloride. Without mixing, the implementation takes place between Benzotrichloride and hydrogen fluoride in the specified temperature and pressure range also in the presence an iron catalyst only at low speed; only if there is good contact between the reactants does it come catalytic ^ action of iron for development. Without mixing, only at temperatures above 80 ° C and correspondingly high pressures achieved satisfactory reaction rates; at these temperatures but in the presence of iron there is an increased formation of resinification products and thus to yield reductions, so that here the influence of iron on the conversion can be eliminated got to.
Wird dagegen für guten Kontakt des Benzotrichlorids mit dem Fluorwasserstoff gesorgt, so kann die Umsetzung in einem Temperaturbereich durchgeführt werden, in welchem Eisen die erwünschte Umsetzung zu Benzotrifluorid katalysiert, so daß dasselbe mit annähernd 100%iger Ausbeute erhalten wird. Dabei kann die Bildungsgeschwindigkeit des Benzotrifluorids durch die Mischgeschwindigkeit beeinflußt werden. Bei richtiger Abstimmung von Temperatur, Druck und Rührgeschwindigkeit kann so erreicht werden, daß bei 2O0C in etwa 40 Minuten eine vollständige Umsetzung des Benzotrichlorids zu Benzotrifluorid erfolgt. Analoges gilt für die entsprechenden Derivate des Benzotrichlo-Die Gewinnung des Benzotrifluorids oder dessen flüssiger Derivate gestaltet sich einfach, da sich dieselben nach Unterbrechung der Rührung als untere Phase absetzen. Sie können daher beispielsweise mittels eines Tauchrohres in ein Entspannungsgefäß abgelessen werden. Die so gewonnenen Produkte enthalten nur geringe Mengen an HF und HCl. Durch Waschen mit verdünnter Natronlauge können diese sauren Verbindungen entfernt werden. Eine Reinigung des so ,ο erhaltenen rohen Benzotriiluorids oder dessen Derivats ist nur notwendig, wenn ein besonders reines Produkt gewünscht wird oder wenn die eingesetzte Verbindung beträchtliche Verunreinigungen enthieltIf, on the other hand, good contact of the benzotrichloride with the hydrogen fluoride is ensured, the reaction can be carried out in a temperature range in which iron catalyzes the desired conversion to benzotrifluoride, so that the same is obtained with approximately 100% yield. The rate of formation of the benzotrifluoride can be influenced by the mixing rate. With proper adjustment of temperature, pressure and stirring rate can be achieved so that at 2O 0 C in about 40 minutes there is a complete implementation of the benzotrichloride to benzotrifluoride. The same applies to the corresponding derivatives of benzotrichlo- The production of benzotrifluoride or its liquid derivatives is simple, since they settle as the lower phase after the stirring is interrupted. They can therefore be drained into an expansion vessel, for example by means of a dip tube. The products obtained in this way contain only small amounts of HF and HCl. These acidic compounds can be removed by washing with dilute sodium hydroxide solution. Purification of the crude benzotriiluoride obtained in this way or its derivative is only necessary if a particularly pure product is desired or if the compound used contained considerable impurities
Der Reaktor steht nun für den nächsten Ansatz zur ,5 Verfugung. Zu dem im Reaktor verbleibenden Fluorwasserstoff wird erneut das Benzotrichlorid bzw. dessen Derivat zugegeben und gleichzeitig die verbrauchte Menge an Fluorwasserstoff zugeführtThe reactor is now ready for the next batch. To the hydrogen fluoride remaining in the reactor the benzotrichloride or its derivative is added again and the consumed at the same time Amount of hydrogen fluoride supplied
Benzotrifluorid und dessen Derivate sind wertvolle ;c Zwischenprodukte zur Herstellung von Arzneimitteln. Schädlingsbekämpfungsmitteln und Farbstoffen.Benzotrifluoride and its derivatives are valuable; c intermediates for the manufacture of pharmaceuticals. Pesticides and dyes.
;5 In einen 10-1-Stahlautoklav von 16 cn Innendurchmesser und 34 cm Innenhöhe, versehen mit elektrischer Außenbeheizung, einem Thermostutzen, einem Tauchrohr, einem aufgesetzten Druckrückflußkühler, der durch +35CC kalte Sole gekühlt wurde, und einem; 5 In a 10-1 steel autoclave with an inner diameter of 16 cn and an inner height of 34 cm, provided with external electrical heating, a thermal connection, a dip tube, a pressure reflux condenser attached, which was cooled by brine at +35 C C, and a
,c Magnethubrührer, bestehend aus zwei profilierten Tellerplatten von je 14 cm Durchmesser im Abstand von 15 cm mit 15 cm Hub, wurden 2,70 kg (135MoI) wasserfreier Fluorwasserstoff mit 0,5 1 Benzotrifluorid gegeben. Dann wurde bei einer Rührhubzahl von, c Magnetic lifting stirrer, consisting of two profiled Plate plates each 14 cm in diameter at a distance of 15 cm with a 15 cm stroke, were 2.70 kg (135MoI) added anhydrous hydrogen fluoride with 0.5 1 benzotrifluoride. Then was at a number of stirring strokes
3<; 80 Min.-1 aus einer Stahldruckflasche Chlorwasserstoff bis zu einem Druck von 8 at in den Stahlreaktor gedruckt. Es wurde noch 30 Minuten gerührt, dann 5 Minuten absitzen gelassen und das abgeschiedene Benzotrifluorid über das Tauchrohr abgelassen.3 <; 80 min. - 1 from a steel pressure bottle hydrogen chloride up to a pressure of 8 at in the steel reactor. The mixture was stirred for a further 30 minutes, then allowed to settle for 5 minutes and the separated benzotrifluoride was drained off via the dip tube.
^0 Anschließend wurden innerhalb von 12 Minuten unter Rühren gleichzeitig 2,93 kg (15 Mol) Benzotrichlorid und 0,91 kg (45,5 Mol) wasserfreier Fluorwasserstoff in den Reaktor gepumpt. Die Temperatur der Reaktionsmischung wurde automa'isch durch Behei-^ 0 Subsequently, 2.93 kg (15 mol) of benzotrichloride and 0.91 kg (45.5 mol) of anhydrous hydrogen fluoride were simultaneously pumped into the reactor within 12 minutes with stirring. The temperature of the reaction mixture was automatically
^ zung des Reaktors bei 200C gehalten. Der bei der Umsetzung entstehende Chlorwasserstoff, welcher sich durch ein Ansteigen des Druckes im Reaktor bemerkbar machte, wurde nach Passieren des Druckrückflußkühlers über ein Druckhalteventil ständig so in einen^ the reactor at 20 0 C kept. The hydrogen chloride formed during the reaction, which was made noticeable by an increase in the pressure in the reactor, was constantly poured into one after passing through the pressure reflux condenser via a pressure maintaining valve
.,ο Wäscher abgeblasen, daß der Druck im Reaktor bei 8 at blieb. Nach Beendigung der Reaktion, erkennbar an dem Aufhören der Chlorwasserstoffentwicklung, wurde einige Minuten gerührt. 5 Minuten nach Abstellen des Hubrührers wurde das abgesetzte Benzotrifluorid über., ο Washer blown off, that the pressure in the reactor at 8 at stayed. After the reaction had ended, as indicated by the cessation of the evolution of hydrogen chloride stirred for a few minutes. 5 minutes after the lift stirrer was switched off, the benzotrifluoride which had settled was over
^ das Tauchrohr abgelassen, mit verdünnter Natronlauge und Wasser gewaschen, getrocknet und destilliert.^ Drain the dip tube with dilute sodium hydroxide solution and water washed, dried and distilled.
Zu dem im Autoklav verbleibenden Fluorwasserstoff wurde erneut unter Rühren Benzotrichlorid und Fluorwasserstoff zugegeben und auf die oben beschrie-To the hydrogen fluoride remaining in the autoclave was again benzotrichloride and stirring Hydrogen fluoride was added and the
f,0 bene Weise zur Umsetzung gebracht. f , 0 bene manner implemented.
Zur Bestimmung des Einflusses der Mischgeschwindigkeit auf die Reaktionsgeschwindigkeit wurde die Umsetzung unter Rühren bei verschiedenen Hubzahlen durchgeführt. Die dabei erzielten Ausbeuten sowie dieTo determine the influence of the mixing speed on the reaction speed, the Implementation carried out with stirring at various strokes. The yields achieved and the
f,,. ermittelten Reaktionszeiten sind der Tabelle 1 zu entnehmen. Die Reaktionszeit ist dabei als die Zeit von Beginn der Benzotrichloridzugabe bis zum Aufhören der Chlorwasserstoffentwicklung definiert:f ,,. The reaction times determined are shown in Table 1 remove. The reaction time is the time from the start of the addition of benzotrichloride until it is stopped the evolution of hydrogen chloride defines:
4 54 5
4(14 (1
100 40100 40
In dieser Versuchsreihe wurde bei der sonstigen Arbeitsweise von Beispiel 1 bei konstanter Hubzahl des Magnetrührers von 80 Min.-' die Reaktionstemperatur variiert. Die Ergebnisse zeigt Tabelle 2.In this series of experiments, in the rest of the procedure of Example 1 with a constant number of strokes, the Magnetic stirrer of 80 min.- 'the reaction temperature varies. The results are shown in Table 2.
Reaktionsiemperatur ( C)
Reaktionszeit (Min.)
Ausbeute an Uenznirilluoriil
(Molpm/ent)Reaction temperature (C) reaction time (min.)
Yield of Uenznirilluoriil (Molpm / ent)
2(t 402 (t 40
50 io50 io
4M4M
Gemäß der im Beispiel 1 beschriebenen Arbeitsweise wurden unter Rühren mit einer Hubzahl von 80 Min.-' 3,45 kg (15MoI) 4-Chlorbenzotrichlorid mit 0,91kg (45,5 Mol) wasserfreiem Fluorwasserstoff umgesetzt. Die Reaktionszeit betrug 1 Stunde und die Ausbeute an 4-Chlorbenzotrifluorid 96 Molprozent.According to the procedure described in Example 1, 3.45 kg (15 mol) of 4-chlorobenzotrichloride were reacted with 0.91 kg (45.5 mol) of anhydrous hydrogen fluoride with stirring at a stroke rate of 80 minutes. The reaction time was 1 hour and the yield of 4-chlorobenzotrifluoride was 96 mol percent.
Claims (2)
Priority Applications (5)
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