Versuch 6.3.4: trans-1-benzoyl-2-phenylcyclopropan

rganisch-chemisches Praktikum II WS 2008/2009 Gruppenpräparat Versuch 6.3.4: trans-1-benzoyl-2-phenylcyclopropan Felix Bergler Benjamin Fröhlich Franziska Witterauf

Inhaltsverzeichnis 1. Aufgabenstellung. 3 2. Literaturrecherche... 3 3. Sicherheit und Entsorgung... 4 4. Versuchsdurchführung. 5 4.1 Darstellung von 1,3-Diphenylpropenon...5 4.1.1 Ansatz 1... 5 4.1.2 Ansatz 2... 6 4.2 Darstellung von S,S-Dimethyl-N-(p-tolylsulfonyl)sulfoximin 7 4.2.1 Ansatz 1 unter Stickstoffatmosphäre 8 4.2.2 Ansatz 2 ohne Stickstoffatmosphäre. 8 4.3 Darstellung von trans-1-benzoyl-2-phenylcyclopropan. 9 4.3.1 Ansatz 1 äquimolare Menge an gewaschenem NaH. 10 4.3.2 Ansatz 2 Überschuss an gewaschenem NaH 11 4.3.3 Ansatz 3 Überschuss an 60%igem NaH... 12 5. Zusammenfassung 13 6. Ausblick... 13 7. Literaturverzeichnis. 14 8. Anhang Spektren... 15 2

1. Aufgabenstellung Im Rahmen dieses Gruppenpräparats sollte bei folgender Synthese von trans-1-benzoyl-2- phenylcyclopropan ein Weg gefunden werden, das Produkt zu isolieren, was zuvor im Praktikum mittels Sublimation noch nicht gelungen ist. CH 3 CH 3 CH 3 Na S N Cl + H 3 C S CH 3 CuCl 2 S N H3 C S CH 3 NaH DMS S N H2 C S CH 3 CH 3 + H NaH EtH DMS H 2. Literaturrecherche Zuerst wurden die im Praktikumsskript angegebenen Literaturangaben zur Synthese der Zwischenstufen und des Produkts benutzt. Die Synthesen von 1,3-Diphenylpropenon und S,S- Dimethyl-N-(p-tolylsulfonyl)sulfoximin bereiteten in der Vergangenheit kaum Probleme. Somit wurde 1,3-Diphenylpropenon gemäß der Vorschrift von Kohler und Chadwell [1] und S,S-Dimethyl-N-(p-tolylsulfonyl)sulfoximin nach der Anleitung von Johnson et al. [2], auf die auch in dem Artikel von Heintzelmann und Swern [3] hingewiesen wurde, durchgeführt. 3

Die Umsetzung der beiden Substanzen zum gewünschten Produkt ist ebenso in der Literatur von Johnson et al. [2] beschrieben, wobei die Aufreinigung neben der Sublimation auch säulenchromatographisch erfolgen kann. 3. Sicherheit und Entsorgung 3.1 Sicherheit Tab. 1: Sicherheit eingesetzte Stoffe Gefahrensymbole Natriumhydroxid C Ethanol F Acetophenon Xn Benzaldehyd Xn 1,3-Diphenylpropenon T+ Chloramin-T-Trihydrat C Dimethylsulfoxid N Kupfer(II)chlorid Xn, N Natriumhydrid C, F S,S-Dimethyl-N-(p-tolylsulfonyl)sulfoximin T+ trans-1-benzoyl-2-phenylcyclopropan T+ Essigsäureethylester F, Xi Petrolether F, Xn, N Nummern der R und S Sätze R35 S26-37/39-45 R11 S7-16 R22-36 S26 R22 S24 Stoff mit unbekannten Eigenschaften R22-31-34-42 S7-22-26-36/37/39-45 R22-36/38-50/53 S22-26-61 R15 S7/8-24/25-43.3 Stoff mit unbekannten Eigenschaften Stoff mit unbekannten Eigenschaften R11-36-66-67 S16-26-33 R11-38 S9-16-24 4

3.2 Entsorgung Ethanol, Acetophenon, Benzaldehyd, 1,3-Diphenylpropenon, Dimethylsulfoxid, S,Sdimethyl-N-(p-tolylsulfonyl)sulfoximin, trans-1-benzoyl-2-phenylcyclopropan, Petrolether, Essigsäureethylester wurden als halogenfreie, organische Lösemittelabfälle entsorgt. Chloramin-T-Trihydrat wurde als halogenhaltiger, organischer Lösemittelabfall entsorgt. Natriumhydroxid, Kupferchlorid wurden neutralisiert und als wässrige Abfälle entsorgt. Natriumhydrid wurde in inertem Lösemittel vorgelegt, zuerst mit Isopropanol und anschließend langsam mit Wasser versetzt. Nach Abreaktion wurde die lösung neutralisiert und als wässrige Abfälle entsorgt. 4. Versuchsdurchführung Dimethylsulfoxid wurde unter Stickstoffatmosphäre destilliert und über Molsieb (4 Å) getrocknet. Acetophenon und Benzaldehyd wurden fraktionierend destilliert und die gereinigten Substanzen sofort verwendet. Hierbei sollte man eine 10 cm Vigreux-Kolonne verwenden. Brechungsindices [4] : n n 20 D 20 D ( Acetophenon) = 1.5339 ( Benzaldehyd) = 1.5450 4.1 Darstellung von 1,3-Diphenylpropenon bwohl die Synthese in der Vergangenheit gute Ergebnisse erzielt hat, wurden zwei Ansätze durchgeführt, da beim ersten Mal die Dauer der Reaktion ungewöhnlich lang war. Im Laufe der Reaktion stellte sich heraus, dass, wie schon in der Literatur von Kohler und Chadwell [1] beschrieben, eine optimale und vor allem schnelle Umsetzung bei einer Temperatur von 25-30 C erfolgt. Bei der Filtration erhielt man eine geringe Ausbeute, was dazu veranlasste eine erneute Reaktion anzusetzen. Allerdings stellte sich im Nachhinein heraus, dass der größte Teil des Produktes des ersten Ansatzes noch in Lösung war. Ebenso wurde im zweiten Ansatz keine äquimolare Menge an Natriumhydroxid verwendet, sondern ein 1.2 molarer Überschuss eingesetzt. 5

4.1.1 Ansatz 1 In einen Kolben wurden 4.80 g (0.12 mol) NaH in 50 ml Wasser und 32 ml Ethanol vorgelegt. Unter Rühren mit einem KPG-Rührer bei 17 C wurden zuerst 14.4 g (0.12 mol) Acetophenon und anschließend 12.7 g (0.12 mol) Benzaldehyd zugegeben. Da nach zwei Tagen Rühren nur eine ölige Emulsion vorlag wurde die Reaktionsmischung mit einem Wasserbad auf 25 C erhitzt. Binnen zwei Stunden fiel ein gelber Feststoff aus und es wurden 5 ml 6N NaH zugeben. Nach weiteren zwei Stunden ergab die Reaktionskontrolle mittels Dünnschichtchromatographie (Kieselgel; Laufmittel: Petrolether/Diethylether 2:1) eine vollständige Umsetzung. Die Reaktionsmischung wurde für vier Tage bei -18 C gekühlt und man erhielt einen gelborangenen Feststoff in einer roten Lösung. Der Feststoff wurde über einen Büchnertrichter abfiltriert und mit gekühltem Wasser und gekühltem Ethanol gewaschen. Man erhielt einen gelben Feststoff in Form von kleinen Kügelchen. Die Mutterlauge wurde erneut abfiltriert und anschließend nur mit gekühltem Wasser gewaschen, wodurch man ein gelbes Pulver erhielt. Die Mutterlauge wurde eingeengt und es blieb ein gelbes Pulver zurück. Charakterisierung: Summenformel: C 15 H 12 Molmasse: 208.3 g/mol Aussehen: gelbes Pulver Schmelzpunkt: 54-55 C (Lit. [1] : 55-57 C) Ausbeute: 97% (24.3 g; 117 mmol) (Lit. [1] : 85%) IR [cm -1 ]: = 3060 (=C-H); 1660 (C=); 1600, 1590, 1500 (Ring) 6

4.1.2 Ansatz 2 In einen Kolben wurden 1.15 g (28.3 mmol) NaH in 10 ml Wasser und 6 ml Ethanol vorgelegt. Unter Rühren mit einem KPG-Rührer bei 25 C wurden zuerst 2.88 g (24.0 mmol) Acetophenon und anschließend 2.54 g (24.0 mmol) Benzaldehyd zugegeben. Nach fünf Stunden ergab die Reaktionskontrolle mittels Dünnschichtchromatographie (Kieselgel; Laufmittel: Petrolether/Diethylether 2:1) eine vollständige Umsetzung. Die Reaktionsmischung wurde für vier Tage in der Tiefkühltruhe gekühlt und man erhielt einen gelborangenen Feststoff in einer roten Lösung. Der Feststoff wurde über einen Büchnertrichter abfiltriert und mit gekühltem Wasser und gekühltem Ethanol gewaschen. Die Mutterlauge wurde nun eingeengt und es blieb ein gelbes Pulver zurück. Charakterisierung: Summenformel: C 15 H 12 Molmasse: 208.3 g/mol Aussehen: gelbes Pulver Schmelzpunkt: 54 C (Lit. [1] : 55-57 C) Ausbeute: 93% (4.65 g; 22.3 mmol) (Lit. [1] : 85%) IR [cm -1 ]: = 3060 (=C-H); 1660 (C=); 1600, 1590, 1500 (Ring) 4.2 Darstellung von S,S-Dimethyl-N-(p-tolylsulfonyl)sulfoximin Die Darstellung von S,S-Dimethyl-N-(p-tolylsulfonyl)sulfoximin wurde analog der Vorschrift von Johnson et al. [2] durchgeführt, wobei die Reaktion unter Stickstoffatmosphäre gehalten wurde. Zum Vergleich wurde ein zweiter Ansatz ohne Stickstoffatmosphäre angesetzt und festgestellt, dass dieser die gleiche Ausbeute an Rohprodukt lieferte. 7

4.2.1 Ansatz 1 unter Stickstoffatmosphäre Zu 80 ml trockenem DMS wurden unter Stickstoffatmosphäre 2.00 g Kupferchlorid zugegeben, welches die Lösung grünlich färbte. Während der Zugabe von 28.5 g (101 mmol) Chloramtin-T 3H 2 färbte sich die Lösung zuerst dunkelrot und wechselte die Farbe nach grün, was darauf hindeutete, dass die Reaktion schon halb fertig war [2]. Nach 30 min Rühren, wurde drei Stunden unter Rückfluss erhitzt. Hierbei erhielt man nach zwei Stunden eine trübe olivegrüne Lösung und nach einer weiteren Stunde eine trübe orangene Lösung. Die Reaktionskontrolle mittels Dünnschichtchromatographie (Kieselgel; Laufmittel: Essigsäureethylester/Petrolether 1:5) zeigte eine vollständige Umsetzung an. Die Reaktionsmischung wurde in 500 ml Wasser und 80 ml gesättigte EDTA-Lösung gegeben und anschließend über einen Büchnertrichter abfiltriert. Man erhielt eine blaugrüne Mutterlauge und das Produkt als beiges Pulver. Charakterisierung: Summenformel: C 9 H 13 N 3 S 2 Molmasse: 247.3 g/mol Aussehen: beiges Pulver Schmelzpunkt: 165-170 C (Lit. [2] : 167-169 C (aus Ethanol)) Ausbeute: 65% (16.1 g; 62.2 mmol) (Lit. [2] : 90%) IR [cm -1 ]: = 3060 (=C-H); 2930 (-CH 3 ); 1600 (Ring); 1400 (-CH 3 ); 1150 (-S 2 ); 1060 (-S=) 4.2.2 Ansatz 2 ohne Stickstoffatmosphäre Zu 10 ml trockenem DMS wurden unter Stickstoffatmosphäre 0.20 g (1.49 mmol) Kupferchlorid zugegeben, was die Lösung grünlich färbte. Während dem Zugeben von 3.20 g (11.4 mmol) ChloramtinT 3H 2 färbte sich die Lösung zuerst dunkelrot und wechselte die Farbe in grün, was darauf deutete, dass die Reaktion schon halb fertig ist. Nach 30 min Rühren bei Raumtemperatur, wurde anschließend zwei Stunden unter Rückfluss erhitzt, wobei sich die Lösung zuerst olivegrün und anschließend orange färbte. Die Reaktionskontrolle mittels Dünnschichtchromatographie (Kieselgel; Laufmittel: Essigsäureethylester/Petrolether 1:5) ergab eine vollständige Umsetzung. Die 8

Reaktionsmischung wurde in 60 ml Wasser und 10 ml gesättigte EDTA-Lösung gegeben und anschließend über einen Büchnertrichter abfiltriert. Man erhielt eine blaugrüne Mutterlauge und 1.88 g eines weißgrauen Pulvers. Der Schmelzpunkt der Substanz betrug 165 C, wies vorher allerdings einen großen Schmelzbereich auf. Deshalb wurde das Rohprodukt aus Ethanol umkristallisiert. Charakterisierung: Summenformel: C 9 H 13 N 3 S 2 Molmasse: 247.3 g/mol Aussehen: glitzernde, cremefarbene Kristalle Schmelzpunkt: 168-170 C (aus Ethanol) (Lit. [2] : 167-169 C (aus Ethanol)) Ausbeute: 46% (1.30 g; 5.26 mmol) nach Umkristallisation (Lit. [2] : 90%) IR [cm -1 ]: = 3020 (=C-H); 2940 (-CH 3 ); 1600 (Ring); 1405 (-CH 3 ); 1150 (-S 2 ); 1052 (-S=) 4.3 Darstellung von trans-1-benzoyl-2-phenylcyclopropan Die Synthese von trans-1-benzoyl-2-phenylcyclopropan wurde in Anlehnung an die Vorschrift von Johnson et al. [2] durchgeführt. Hier wurde im ersten Ansatz der eine Teil des erhaltenen gelben öligen Rohprodukts mittels Sublimation aufgereinigt und der andere Teil säulenchromatographisch (Kieselgel; Laufmittel: Essigsäureethylester/Petrolether 1:10) getrennt. Da durch die Sublimation kein reines Produkt isoliert werden konnte, jedoch die Chromatographie erfolgreich war, wurde in den folgenden Ansätzen die Säulenchromatographie als Reinigungsmethode gewählt. Es wurden drei Reaktionen, unter Stickstoffatmosphäre, angesetzt, die sich lediglich in der Menge und Reinheit des Natriumhydrids unterschieden. Der erste Ansatz wurde mit äquimolaren Mengen an gewaschenem Natriumhydrid und Edukt, der zweite Ansatz mit 1.4- fachem Überschuss an gewaschenem Natriumhydrid und der dritte Ansatz mit einem 1.4- fachem Überschuss einer 60%igen Dispersion Natriumhydrid durchgeführt. 9

Da kein Literaturspektrum für das Produkt verfügbar war und sich das Edukt und Produkt im IR-Spekrum aufgrund ihrer ähnlichen Struktur stark glichen wurde eine NMR-Messung durchgeführt, um zu bestimmen ob noch olefinische Protonen im Produkt vorhanden waren. 4.3.1 Ansatz 1 Äquimolare Menge an gewaschenem NaH Zuerst wurden 200 mg (5.00 mmol) einer 60%igen Dispersion Natriumhydrid fünfmal mit 10 ml Petrolether unter Stickstoffatmospähre mit einer Umkehrfritte gewaschen. Anschließend wurde unter Stickstoffatmosphäre 120 mg des gereinigten Natriumhydrids in 10 ml DMS vorgelegt, 1.24 g (5.01 mmol) S,S-Dimethyl-N-(p-tolylsulfonyl)sulfoximin zugegeben und die Lösung drei Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Nach der Zugabe von 1.04 g (5.01 mmol) 1,3-Diphenylpropenon ließ man die Reaktionsmischung über Nacht rühren und überführte sie am nächsten Tag in 50 ml Wasser. Die Lösung wurde viermal mit je 25 ml Diethylether extrahiert, die organische Phase über Magnesiumsulfat getrocknet und nach Entfernen des Lösemittels erhielt man 1.26 g eines gelben Öls als Rohprodukt. 0.28 g des Öls wurden mittels Sublimation mit einem Trockeneiskältefinger aufgereinigt. Allerdings erhielt man hierbei einen gelben öligen Feststoff, was auf Verunreinigungen hindeutete. Der Schmelzpunkt betrug 37 C. Charakterisierung: Summenformel: C 16 H 14 Molmasse: 222.3 g/mol Aussehen: gelber öliger Feststoff Schmelzpunkt: 37 C (Lit. [2] : 45-48 C) Ausbeute: 2% (4.70 mg; 0.02 mmol) (Lit. [2] : 88%) IR [cm -1 ]: = 3100-3000 (=C-H), 1657 (C=), 1400 (C-H von Cyclopropan) 1 H-NMR (400MHz, CDCl 3 ): Das Spektrum wies keinerlei olefinsche Protonenpeaks mehr auf, jedoch war eine eindeutige Zuordnung der Peaks nicht möglich und man konnte noch Verunreinigungen erkennen. 10

0.98 g wurden säulenchromatographisch (Kieselgel; Laufmittel: Essigsäureethylester/Petrolether 1:10) aufgereinigt. Dabei erhielt man nach Trocknung im Vakuum einen weißen Feststoff. Charakterisierung: Summenformel: C 16 H 14 Molmasse: 222.3 g/mol Aussehen: weißer Feststoff Schmelzpunkt: 43 C (Lit. [2] : 45-48 C) Ausbeute: 1% (15.8 mg; 0.07 mmol) (Lit. [2] : 88%) IR [cm -1 ]: = 3100-3000 (=C-H), 1657 (C=), 1400 (C-H von Cyclopropan) 1 H-NMR (400MHz, CDCl 3 ) [ppm]: δ = 7.91 (m, 2H, arom.), 7.49 (m, 1H, arom.), 7.40 (m, 2H, arom.), 7.25 (m, 1H, arom.), 7.17 (m, 1H, arom.), 7.15 (m, 1H, arom.), 7.12 (m, 1H, arom.), 7.10 (m, 1H, arom.), 2.84 (m, 1H, C-H), 2.63 (m, 1H, C-H), 1.85 (m, 1H, C-H) 1.48 (m, 1H, C-H) 4.3.2 Ansatz 2 Überschuss an gewaschenem NaH Zuerst wurde eine 60%igen Dispersion Natriumhydrid fünfmal mit 10 ml Pentan unter Stickstoffatmospähre mit einer Umkehrfritte gewaschen. Anschließend wurden unter Stickstoffatmosphäre 0.30 g (7.00 mmol) Natriumhydrid in 10 ml DMS vorgelegt, 1.18 g (5.00 mmol) S,S-Dimethyl-N-(p-tolylsulfonyl)sulfoximin zugegeben und die Lösung drei Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Nach der Zugabe von 1.04 g (5.01 mmol) 1,3- Diphenylpropenon ließ man die Reaktionsmischung über Nacht rühren und überführte sie am nächsten Tag in 50 ml Wasser. Die Lösung wurde viermal mit je 25 ml Diethylether extrahiert, die organische Phase über Magnesiumsulfat getrocknet und nach Entfernen des Lösemittels erhielt man ein gelbes Öl als Rohprodukt. Das Öl wurde säulenchromatographisch (Kieselgel; Laufmittel: Essigsäureethylester/Petrolether 1:10) aufgereinigt. Dabei erhielt man 460 mg (2.07 mmol) eines weißen Feststoffes. 11

Charakterisierung: Summenformel: C 16 H 14 Molmasse: 222.3 g/mol Aussehen: weißer Feststoff Schmelzpunkt: 42 C (Lit. [2] : 45-48 C) Ausbeute: 41% (460 mg; 2.07 mmol) (Lit. [2] : 88%) IR [cm -1 ]: = 3100-3000 (=C-H), 1657 (C=), 1400 (C-H von Cyclopropan) 1 H-NMR (400MHz, CDCl 3 ) [ppm]: δ = 7.97 (m, 2H, arom.), 7.53 (m, 1H, arom.), 7.45 (m, 2H, arom.), 7.28 (m, 2H, arom.), 7.20 (m, 3H, arom.), 2.84 (m, 1H, C-H), 2.65 (m, 1H, C-H), 1.90 (m, 1H, C-H), 1.52 (m, 1H, C-H) 4.3.3 Ansatz 3 Überschuss an 60%igem NaH Unter Stickstoffatmosphäre wurden 0.28 g (7.00 mmol) Natriumhydrid, wobei hier eine 60%igen Dispersion eingesetzt wurde, in 20 ml DMS vorgelegt, 1.24 g (5.01 mmol) S,S- Dimethyl-N-(p-tolylsulfonyl)sulfoximin zugegeben und die Lösung drei Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Nach der Zugabe von 1.04 g (5.01 mmol) 1,3-Diphenylpropenon ließ man die Reaktionsmischung über Nacht rühren und überführte sie am nächsten Tag in 50 ml Wasser überführt. Die Lösung wurde viermal mit je 25 ml Diethylether extrahiert, die organische Phase über Magnesiumsulfat getrocknet und nach Entfernen des Lösemittels erhielt man ein gelbes Öl als Rohprodukt. Das Öl wurde säulenchromatographisch (Kieselgel; Laufmittel: Essigsäureethylester/Petrolether 1:10) aufgereinigt. Dabei erhielt man 532 mg (2.38 mmol) eines weißen Feststoffes. Charakterisierung: Summenformel: C 16 H 14 Molmasse: 222.3 g/mol Aussehen: weißer Feststoff Schmelzpunkt: 44 C (Lit. [2] : 45-48 C) Ausbeute: 47% (532 mg; 2.38 mmol) (Lit. [2] : 88%) 12

IR [cm -1 ]: = 3100-3000 (=C-H), 1657 (C=), 1400 (C-H von Cyclopropan) 1 H-NMR (DMS) δ [ppm]: δ = 8.01 (m, 2H, arom.), 7.55 (m, 1H, arom.), 7.46 (m, 2H, arom.), 7.32 (m, 2H, arom.), 7.21 (m, 3H, arom.), 2.91 (m, 1H, C-H), 2.71 (m, 1H, C-H), 1.93 (m, 1H, C-H), 1.57 (m, 1H, C-H) 5. Zusammenfassung Es ist im Rahmen des Gruppenpräparates gelungen das gewünschte Produkt zu isolieren. Anstelle der Aufreinigung durch Sublimation erzielte die Säulenchromatographie gute Erfolge. Allerdings erhielt man bei den durchgeführten Ansätzen nur die Hälfte der Literaturausbeute. Bei der Verwendung mit der äquimolaren Menge an gewaschenem Natriumhydrid lässt sich über die Ausbeute keine eindeutige Aussage treffen, da das Rohöl zur Aufreinigung aufgeteilt wurde. Es war kein großer Ausbeuteunterschied zwischen dem gewaschenen Natriumhydrid und der Dispersion, die beide im 1.4-fachem Überschuss eingesetzt wurden, zu erkennen. Neben der eigentlichen Aufgabenstellung konnte erarbeitet werden, dass es bei der Darstellung von 1,3-Diphenylpropenon wichtig ist, die Reaktionstemperatur von 25-30 C einzuhalten. Bei der Synthese von S,S-Dimethyl-N-(p-tolylsulfonyl)sulfoximin erhält man unter Schutzgas keine bessere Ausbeute. Allerdings wurde in den zwei Ansätzen nur die Hälfte der Literaturausbeute erzielt. 6. Ausblick Womöglich könnte man die Ausbeute dadurch verbessern, indem man einen noch größeren Überschuss an Natriumhydrid einsetzt. der man versucht durch Variieren der Reaktionszeiten eine bessere Umsetzung zu erlangen. 13

7. Literaturverzeichnis [1] E. P. Kohler, H. M. Chadwell, rg. Synth. Coll. Vol. 1941, 1, 78-79. [2] C. R. Johnson et al., J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 4287-4291. [3] R. W. Heintzelman, D. Swern, Synthesis 1976, 731-733. [4] Fluka, laboratory chemicals 2001/2002, Riedel-de Haën. 14

8. Anhang Spektren Anhang 1: IR-Spektrum von S,S-Dimethyl-N-(p-tolylsulfonyl)sulfoximin = 3020 (=C-H); 2940 (-CH 3 ); 1600 (Ring); 1405 (-CH 3 ); 1150 (-S 2 ); 1052 (-S=) Anhang 2: IR-Spektrum von trans-1-benzoyl-2-phenylcyclopropan = 3100-3000 (=C-H), 1657 (C=), 1400 (C-H von Cyclopropan) 15

Anhang 3 5: NMR-Spektren von trans-1-benzoyl-2-phenylcyclopropan 16

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