阅读说明：本技术 烃的直接氧化胺化 (Direct oxidative amination of hydrocarbons ) 是由 R·A·佩里亚纳 B·G·哈士古驰 S·H·帕克 N·J·冈萨尔努斯 于 2018-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种将包含至少一个C-H键的烃转化为氮官能化产物的方法。该方法包括使烃与(i)氧化亲电试剂,或(ii)氧化剂和还原形式的氧化亲电试剂,在溶剂中接触,以提供氮官能化产物和亲电还原产物；所述(i)氧化亲电试剂包含(a)氧化形式的主族元素或过渡金属,和(b)至少一个含氮配体；所述还原形式的氧化亲电试剂包含(a)主族元素或过渡金属和(b)至少一个含氮配体。本发明还提供一种氧化组合物,其包含具有至少一个含氮配体的氧化亲电试剂,以及不可氧化的液体。(The present invention provides a process for converting hydrocarbons containing at least one C-H bond to nitrogen functionalized products. The method comprises contacting a hydrocarbon with (i) an oxidizing electrophile, or (ii) an oxidizing agent and a reduced form of an oxidizing electrophile, in a solvent to provide a nitrogen-functionalized product and an electrophilic reduction product; the (i) oxidizing electrophile comprises (a) an oxidized form of a main group element or transition metal, and (b) at least one nitrogen-containing ligand; the reduced form of an oxidizing electrophile comprises (a) a main group element or transition metal and (b) at least one nitrogen-containing ligand. The invention also provides an oxidizing composition comprising an oxidizing electrophile comprising at least one nitrogen-containing ligand, and a non-oxidizable liquid.)

具体实施方式

实施例

为了通过核磁共振(NMR)定量底物和溶液中的产物浓度，将反应混合物溶于约0.5mL三氟乙酸("HOTFA")。通常将0.1mmol的合适的标准品(例如，1,1,2,2-四氯乙烷("1,1,2,2-TCE"))加入混合物中作为内标。然后将该混合物的等分试样吸移到5mm NMR管中，该管用含有～2mm孔的标准NMR帽封帽，然后将含有氘化溶剂(例，d₆-苯、d₆-丙酮、d₆-二甲基亚砜等)的2mm毛细管通过孔加入该管中。然后在＞10秒的弛豫延迟(未去耦)下获得NMR谱图(¹H或¹⁹F)。

下列实施例阐述了在本发明的实施方案中，在含主族元素或过渡金属的氧化亲电试剂存在下，各种烃的氧化。各种实验的结果列于表1中。

表1

TFA:三氟乙酸基 Tf:三氟甲基磺酰基 EG:乙二醇l ^FPh:全氟苯基

实施例1

本实施例说明在氧化亲电试剂汞二[双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺]("Hg(NTf₂)₂")存在下的乙烷的氧化。

在手套箱中向装有PTFE-涂覆的磁力搅拌棒的2mL玻璃小瓶中加入0.1mmol)Hg(NTf₂)₂。向该小瓶中加入约500mg HNTf₂。将小瓶***不锈钢高压反应器中并密封。在反应器的进口阀打开的情况下，用氩气对其进行加压脱气，在500psig(约35kg/cm²)下脱气5次，然后在500psig(约35kg/cm²)下用乙烷脱气5次。然后在反应器中加入500psig(约35kg/cm²)乙烷，关闭进口阀。将反应器加热至180℃，同时以1000rpm搅拌3小时。将反应器冷却至室温，并缓慢释放压力。将***的小瓶的内容物溶于约0.5mL HOTFA，并加入0.1mmol 1,1,2,2-TCE作为内标。产物的形成通过反应混合物的¹H NMR测定，用苯-d₆同轴锁场和匀场，且1,1,2,2-TCE校准在5.63ppm。参见图3的示例性¹H NMR光谱。

基于加入的Hg(II)，EtNTf₂的总收率为约10％(表1，条目5)。从表1中列出的结果可以明显看出，用Hg(NTf₂)₂进行氧化得到了检测到的唯一产物，单官能化EtNTf₂。

实施例2

本实施例说明了在氧化亲电试剂汞双(氟代磺酰基)酰亚胺("Hg(N(SO₂F)₂)₂")存在下乙烷的氧化。

在手套箱中向装有聚四氟乙烯(PTFE)-涂覆的磁力搅拌棒的2mL玻璃小瓶中加入56mg(0.1mmol)Hg(N(SO₂F)₂)₂。向该小瓶中加入约0.3mL(3.14mmol)HN(SO₂F)₂，将该小瓶***不锈钢高压反应器中并密封。在反应器的进口阀打开的情况下，用氩气对其进行加压脱气，在500psig(约35kg/cm²)下脱气5次，然后在500psig(约35kg/cm²)下用乙烷脱气5次。然后在反应器中加入500psig(约35kg/cm²)乙烷，关闭进口阀。将反应器加热至180℃，同时以1000rpm搅拌3小时。将反应器冷却至室温，并缓慢释放压力。将***的小瓶的内容物溶于约0.5mL HOTFA，并加入0.1mmol 1,1,2,2-TCE作为内标。产物的形成通过反应混合物的¹HNMR进行测定，用苯-d₆同轴锁场和匀场，且1,1,2,2-TCE校准在5.63ppm。

基于加入的Hg(II)，EtN(SO₂F)₂的总收率为约60％(表1，条目7)。从表1中列出的结果可以明显看出，用Hg(N(SO₂F)₂)₂进行氧化得到单官能化EtN(SO₂F)₂。

实施例3

本实施例说明了在氧化亲电试剂铊二[双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺]("Tl(NTf₂)₂")存在下乙烷的氧化，由铊三氟乙酸酯("Tl(OTFA)₃")原位生成。

在手套箱中向装有PTFE-涂覆的磁力搅拌棒的2mL玻璃小瓶中加入55mg(0.1mmol)Tl(OTFA)₃。向该小瓶中加入约600mg(约2.13mmol)HNTf₂。将小瓶***不锈钢高压反应器中并密封。在反应器的进口阀打开的情况下，用氩气对其进行加压脱气，在500psig(约35kg/cm²)下脱气5次，然后在500psig(约35kg/cm²)下用乙烷脱气5次。然后在反应器中加入500psig(约35kg/cm²)乙烷，关闭进口阀。将反应器加热至80℃，同时以1000rpm搅拌1小时。将反应器冷却至室温，并缓慢释放压力。将***的小瓶的内容物溶于约0.5mL HOTFA，并加入0.1mmol 1,1,2,2-TCE作为内标。产物的形成通过反应混合物的¹H NMR测定，用苯-d₆同轴锁场和匀场，且1,1,2,2-TCE校准在5.63ppm。参见图4的示例性¹H NMR光谱。

基于加入的Tl(OTFA)₃，所有产物(即，EtNTf₂、C₂H₄(NTf₂)₂、EtOTFA、C₂H₄(OTFA)₂、C₂H₄(OTFA)(NTf₂))的总收率为63％。另外，产物分布结果列于表1，条目2中。从¹H NMR光谱和表1中列出的结果可以明显看出，制备了单官能化EtNTf₂和乙二胺衍生物C₂H₄(NTf₂)₂以及类似的OTFA产物(使用Tl(OTFA)₃)和混合的O-N官能化产物TFAO-CH₂CH₂NTf₂。作为混合阴离子Tl^III物质的结果，产物的选择性混合物提供了强有力的证据，表明该反应是通过C-H活化机理进行，如图5所示的反应进程图和图6所示的机理图所示。

实施例4

本实施例说明了在氧化亲电试剂C₆F₅I(NTf₂)₂存在下乙烷的氧化，由C₆F₅I(OTFA)₂原位生成。

在手套箱中向装有PTFE涂覆的磁力搅拌棒的2mL玻璃小瓶中加入52mg(0.1mmol)C₆F₅I(OTFA)₂。向该小瓶中加入约600mg(约2.13mmol)HNTf₂。将小瓶***不锈钢高压反应器中并密封。在反应器的进口阀打开的情况下，用氩气对其进行加压脱气，在500psig(约35kg/cm²)下脱气5次，然后在500psig(约35kg/cm²)下用乙烷脱气5次。然后在反应器中加入500psig(约35kg/cm²)乙烷，并关闭入口阀。将反应器加热至130℃，同时以1000rpm搅拌2小时。将反应器冷却至室温，并缓慢释放压力。将***的小瓶的内容物溶于约0.5mL HOTFA并加入0.1mmol 1,1,2,2-TCE作为内标。产物的形成通过反应混合物的¹H NMR测定，用苯-d₆同轴锁场和匀场，且1,1,2,2-TCE校准在5.63ppm。

基于加入的C₆F₅I(OTFA)₂，所有产物(即，EtNTf₂、C₂H₄(NTf₂)₂、EtOTFA、C₂H₄(OTFA)₂、C₂H₄(OTFA)(NTf₂))的总收率为78％。另外，产物分布结果列于表1，条目8中。从¹H NMR光谱和表1中列出的结果可以明显看出，制备了单官能化EtNTf₂和乙二胺衍生物C₂H₄(NTf₂)₂以及类似的OTFA产物(来自C₆F₅I(OTFA)₂的使用)和混合的O-N官能化产物TFAO-CH₂CH₂NTf₂。作为混合阴离子C₆F₅I(Y)₂物质的结果，产物的选择性混合物提供了强有力的证据，表明该反应是通过C-H活化机理进行(见例如图5-6)。

实施例5

本实施例说明了在氧化亲电试剂C₆F₅I(NTf₂)₂存在下乙烷的氧化，由C₆F₅I(OTFA)₂通过与HNTf₂在氯仿中交换来合成。

在手套箱中向装有PTFE涂覆的磁力搅拌棒的2mL玻璃小瓶中加入30mg(0.035mmol)C₆F₅I(NTf₂)₂。向该小瓶中加入约500mg(约2.13mmol)HNTf₂。将小瓶***不锈钢高压反应器中并密封。在反应器的进口阀打开的情况下，用氩气对其进行加压脱气，在500psig(约35kg/cm²)下脱气5次，然后在500psig(约35kg/cm²)下用乙烷脱气5次。然后在反应器中加入500psig(约35kg/cm²)乙烷，并关闭入口阀。将反应器加热至100℃，同时以1000rpm搅拌2小时。将反应器冷却至室温，并缓慢释放压力。将***的小瓶的内容物溶于约0.5mL HOTFA并加入0.01mmol 1,1,2,2-TCE作为内标。产物的形成通过反应混合物的¹HNMR测定，用苯-d₆同轴锁场和匀场，且1,1,2,2-TCE校准在5.63ppm。

基于加入的C₆F₅I(NTf₂)₂，所有产物(即，EtNTf₂和EDA(NTf₂)₂)的总收率为83％。另外，产物分布结果列于表1，条目13。从表1中列出的结果可以明显看出，制备了单官能化EtNTf₂和乙二胺衍生物C₂H₄(NTf₂)₂。

实施例6

本实施例说明了在氧化亲电试剂汞二[双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺]("Hg(NTf₂)₂")存在下甲烷的氧化。

在手套箱中向装有PTFE涂覆的磁力搅拌棒的2mL玻璃小瓶中加入0.1mmol Hg(NTf₂)₂。向该小瓶中加入约500mg HNTf₂。将小瓶***不锈钢高压反应器中并密封。在反应器的进口阀打开的情况下，用氩气对其进行加压脱气，在500psig(约35kg/cm²)下脱气5次，然后在500psig(约35kg/cm²)下用甲烷脱气5次。然后在反应器中加入500psig(约35kg/cm²)甲烷，并关闭入口阀。将反应器加热至180℃，同时以1000rpm搅拌3小时。将反应器冷却至室温，并缓慢释放压力。将***的小瓶的内容物溶于约0.5mL二甲基亚砜-d₆并加入0.1mmol1,1,2,2-TCE作为内标。产物的形成通过反应混合物的¹H NMR测定，且1,1,2,2-TCE校准在5.63ppm。参见图7的示例性¹H NMR光谱。

从图7和表1条目4中列出的结果可以明显看出，甲烷的氧化产生CH₃HgNTf₂和CH₃NTf₂，这通过这些材料的独立合成得到证实。使用独立产生的CH₃HgNTf₂，显示HNTF₂中的CH₃HgNTf₂在180℃下缓慢产生CH₃HgNTf₂，作为检测到的唯一官能化的产物。缓慢的官能化速率(在180℃下一小时后约20％)与在Hg(NTf₂)₂和甲烷的反应后混合物中观察到的MeHg(NTf₂)一致。

另外，在HNTF₂中于180℃下研究了EtHgNTf₂的独立合成反应1h。该反应快速且定量地产生了EtNTf₂，并且未观察到未反应的EtHgNTf₂和Tf₂NCH₂CH₂NTf₂。EtHgNTf₂生成EtNTf₂的反应比CH₃HgNTf₂生成CH₃NTf₂的反应快得多的观察结果与乙烷与Hg(NTf₂)₂的反应中没有观察到中间体EtHgNTf₂一致。此外，EtHgNTf₂反应中缺少Tf₂NCH₂CH₂NTf₂与乙烷和Hg(NTf₂)₂反应中仅产生EtNTf₂的观察结果一致。

实施例7

本实施例说明了在氧化亲电试剂汞二[双(氟代磺酰基)酰亚胺]("Hg(N(SO₂F)₂)₂")存在下甲烷的氧化。

在手套箱中向装有PTFE涂覆的磁力搅拌棒的2mL玻璃小瓶中加入0.1mmol Hg(N(SO₂F)₂)₂。向该小瓶中加入0.3mL HN(SO₂F)₂。将小瓶***不锈钢高压反应器中并密封。在反应器的进口阀打开的情况下，用氩气对其进行加压脱气，在500psig(约35kg/cm²)下脱气5次，然后在500psig(约35kg/cm²)下用甲烷脱气5次。然后在反应器中加入500psig(约35kg/cm²)甲烷，并关闭入口阀。将反应器加热至180℃，同时以1000rpm搅拌3小时。将反应器冷却至室温，并缓慢释放压力。将***的小瓶的内容物溶于约0.5mL HOTFA并加入0.1mmol 1,1,2,2-TCE作为内标。产物的形成通过反应混合物的¹H NMR测定，用苯-d₆同轴锁场和匀场，且1,1,2,2-TCE校准在5.63ppm。

基于加入的Hg(II)，在反应后混合物中观察到的MeN(SO₂F)₂和MeHgN(SO₂F)₂的总合并收率为48％。两种产物的选择性以及总收率列于表1，条目6中。

实施例8

本实施例说明了在氧化亲电试剂铊二[双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺]("Tl(NTf₂)₂")存在下甲烷的氧化，由铊三氟乙酸酯("Tl(OTFA)₃")原位生成。

在手套箱中向装有PTFE涂覆的磁力搅拌棒的2mL玻璃小瓶中加入55mg(0.1mmol)Tl(OTFA)₃。向该小瓶中加入600mg(约2.13mmol)HNTf₂。将小瓶***不锈钢高压反应器中并密封。在反应器的进口阀打开的情况下，用氩气对其进行加压脱气，在500psig(约35kg/cm²)下脱气5次，然后在500psig(约35kg/cm²)下用甲烷脱气5次。然后在反应器中加入500psig(约35kg/cm²)甲烷，并关闭入口阀。将反应器加热至180℃，同时以1000rpm搅拌3小时。将反应器冷却至室温，并缓慢释放压力。将***的小瓶的内容物溶于约0.5mL HOTFA并加入0.1mmol 1,1,2,2-TCE作为内标。产物的形成通过反应混合物的¹H NMR测定，用苯-d₆同轴锁场和匀场，且1,1,2,2-TCE校准在5.63ppm。

基于加入的Tl(III)，在后反应混合物中观察到的MeNTf₂和MeOTFA的总收率为54％。两种产物的选择性以及总收率列于表1，条目1中。

实施例9

本实施例说明了在氧化亲电试剂C₆F₅I(NTf₂)₂存在下甲烷的氧化，其由C₆F₅I(OTFA)₂通过与HNTf₂在氯仿中交换来合成。

在手套箱中向装有PTFE涂覆的磁力搅拌棒的2mL玻璃小瓶中加入30mg(0.035mmol)C₆F₅I(NTf₂)₂。向该小瓶中加入500mg(约2.13mmol)HNTf₂。将小瓶***不锈钢高压反应器中并密封。在反应器的进口阀打开的情况下，用氩气对其进行加压脱气，在500psig(约35kg/cm²)下脱气5次，然后在500psig(约35kg/cm²)下用甲烷脱气5次。然后在反应器中加入500psig(约35kg/cm²)甲烷，并关闭入口阀。将反应器加热至100℃，同时以1000rpm搅拌2小时。将反应器冷却至室温，并缓慢释放压力。将***的小瓶的内容物溶于约0.5mL HOTFA并加入0.01mmol 1,1,2,2-TCE作为内标。产物的形成通过反应混合物的¹HNMR测定，用苯-d₆同轴锁场和匀场，且1,1,2,2-TCE校准在5.63ppm。

基于加入的C₆F₅I(NTf₂)₂，所有产物(即MeNTf₂)的总收率为40％。另外，产物分布结果列于表1，条目12中。从表1所示结果可明显看出，单官能化MeNTf₂是唯一产生的产物。

实施例10

本实施例说明了在氧化亲电试剂铊二[双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺]("Tl(NTf₂)₂")存在下乙烯的氧化，该氧化亲电试剂由铊三氟乙酸酯("Tl(OTFA)₃")原位生成。

在手套箱中向装有PTFE涂覆的磁力搅拌棒的2mL玻璃小瓶中加入0.1mmol Tl(OTFA)₃。向该小瓶中加入500mg(约1.8mmol)HNTf₂和500mg(约2.4mmol)HN(TFA)₂。在氩气下用手拧紧小瓶并快速密封。在小瓶的进口阀打开的情况下，用氩气对其进行加压脱气，在500psig(约35kg/cm²)下脱气5次。随后在该小瓶中装入200psig(约7kg/cm²)包含8psig乙烯和492psig氩气的气阀瓶，并关闭入口阀。将反应器加热至70℃，同时以1000rpm搅拌1小时。将反应器冷却至室温，并缓慢释放压力。将***的小瓶的内容物溶于约0.5mL HOTFA并加入0.1mmol 1,1,2,2-TCE作为内标。产物的形成通过反应混合物的¹H NMR测定，用苯-d₆同轴锁场和匀场，且1,1,2,2-TCE校准在5.63ppm。参见图8的示例性¹H NMR光谱。

基于加入的Tl(OTFA)₃，所有产物(即，C₂H₄(NTf₂)₂、C₂H₄(OTFA)₂和C₂H₄(OTFA)(NTf₂))的总收率为16％(其对应于反应器中乙烯的完全消耗)。从图8所示的结果可以明显看出，当乙烯浓度足够低时，乙烯的氧化不形成EtNTf₂和类似的OTFA产物(来自Tl(OTFA)3的使用)。然而，二官能化的乙二胺衍生物C₂H₄(NTf₂)₂，以及类似的OTFA产物和混合的O-N官能化的产物TFAO-CH₂CH₂NTf₂是显而易见的。结果总结在表1，条目3中。

实施例11

本实施例说明了在氧化亲电试剂五氟苯基碘代-二[双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺]("^FPhI(NTf₂)₂")存在下乙烯的氧化，该氧化亲电试剂由五氟苯基双(三氟乙酰氧基)碘苯("^FPhI(OTFA)₂")原位生成。

向装有PTFE涂覆的磁力搅拌棒的2mL玻璃小瓶中加入0.1mmol^FPhI(OTFA)₂。向该小瓶中加入500mg(约1.8mmol)HNTf₂。在氩气下用手拧紧小瓶并快速密封。在小瓶的进口阀打开的情况下，用氩气对其进行加压脱气，在500psig(约35kg/cm²)下脱气5次。随后在该小瓶中装入200psig(约7kg/cm²)包含8psig乙烯和492psig氩气的气阀瓶，并关闭入口阀。将反应器加热至70℃，同时以1000rpm搅拌1小时。将反应器冷却至室温，并缓慢释放压力。将***的小瓶的内容物溶于约0.5mL HOTFA并加入0.1mmol 1,1,2,2-TCE作为内标。产物的形成通过反应混合物的¹H NMR测定，用苯-d₆同轴锁场和匀场，且1,1,2,2-TCE校准在5.63ppm。

观察到的唯一产物是C₂H₄(NTf₂，基于加入的^FPhI(OTFA)₂，其形成的产率为15％(其对应于反应器中乙烯的完全消耗)。当乙烯浓度足够低时，乙烯的氧化不形成EtNTf₂和类似的OTFA产物(来自^FPhI(OTFA)₂的使用)。然而，二官能化的乙二胺衍生物C₂H₄(NTf₂)₂是显而易见的。结果总结在表1，条目9中。

实施例12

本实施例说明了在氧化亲电试剂C₆F₅I(NTf₂)₂存在下苯的氧化，该氧化亲电试剂由C₆F₅I(OTFA)₂通过与HNTf₂在氯仿中交换来合成。

在手套箱中向装有PTFE涂覆的磁力搅拌棒的2mL玻璃小瓶中加入52mg(0.06mmol)的C₆F₅I(NTf₂)₂。向反应器中加入约600mg(约2.13mmol)HNTf₂，加入9μL(0.1mmol)干燥的苯。将反应器加热至120℃，同时以1000rpm搅拌30分钟。将反应器冷却至室温，将反应器的内容物溶于约0.5mLHOTFA并加入0.1mmol 1,1,2,2-TCE作为内标。产物的形成通过反应混合物的¹H NMR测定，用丙酮-d₆同轴锁场和匀场，且1,1,2,2-TCE校准在5.63ppm。

基于加入的C₆F₅I(NTf₂)₂，所有产物PhNTf₂(7％)和碘加合物C₆F₅I(Ph)(NTf₂)(93％)的总收率为100％，可在表1，条目11中看出。

实施例13

本实施例说明了在氧化亲电试剂对硝基苯基碘(NTf₂)₂存在下乙烷的氧化，该氧化亲电试剂由对硝基苯基双(三氟乙酰氧基)碘化物原位生成。

在装有***的用PTFE涂覆的玻璃磁力搅拌棒的小型高压反应器中加入20mg(0.041mmol)对硝基苯基-双(三氟乙酰氧基)碘化物和500mg干燥的HNTf₂。将反应器密封，用500psig氩气加压脱气(5次)，然后用500psig乙烷循环五次。用乙烷将反应器加压至500psig，并将其放置在150℃下的铝加热块(aluminum heating block)中3小时。反应后，在干冰/丙酮浴中快速冷却反应器。然后将其温热回到室温，并缓慢释放压力。打开反应器，将固体内容物溶解在0.5mL含有0.01mmol 1,1,2,2-四氯乙烷作为内标的HOTFA中。产物形成通过¹H NMR使用苯-d6同轴并使用20秒脉冲延迟以确保定量弛豫来测定。产物混合物的示例性¹H NMR光谱见图9。

反应后观察到的产物为EtNTf₂(0.015mmol)、EtOTFA(0.00177mmol)和1,2-二[双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺]-乙烷(0.00451mmol)，基于氧化剂，总收率为61％。产物比为8.5:1:2.5，结果总结在表1，条目10。

实施例14

本实施例说明了在氧化亲电试剂Sb(NTf₂)₅存在下乙烷的氧化，该氧化亲电试剂由[Sb(OMe)₅]₂原位生成。

在装有***的用PTFE涂覆的玻璃磁力搅拌棒的小型高压反应器中加入14mg(0.025mmol)[Sb(OMe)₅]₂和500mg干燥的HNTf₂。在氩气下用手拧紧小瓶并快速密封。在小瓶的进口阀打开的情况下，用氩气对其进行加压脱气，在500psig(约35kg/cm²)下脱气5次。随后在该小瓶中装入200psig(约7kg/cm²)包含8psig乙烯和492psig氩气的气阀瓶，并关闭入口阀。将反应器加热至70℃，同时以1000rpm搅拌1小时。将反应器冷却至室温，并缓慢释放压力。将***的小瓶的内容物溶于约0.5mL HOTFA并加入0.1mmol 1,1,2,2-TCE作为内标。产物的形成通过反应混合物的¹H NMR测定，用苯-d₆同轴锁场和匀场，且1,1,2,2-TCE校准在5.63ppm。产物混合物的示例性¹H NMR光谱见图10。

反应后观察到的产物是混合的O-N官能化产物，TFAO-CH₂CH₂NTf₂(0.0034mmol)，基于氧化剂，总收率为7％。乙烯消耗基于理想气体定律为反应器体积的～10％。结果总结在表1，条目14中。

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