JPH0545683A - 有機非線形光学材料 - Google Patents

有機非線形光学材料

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JPH0545683A
JPH0545683A JP19943891A JP19943891A JPH0545683A JP H0545683 A JPH0545683 A JP H0545683A JP 19943891 A JP19943891 A JP 19943891A JP 19943891 A JP19943891 A JP 19943891A JP H0545683 A JPH0545683 A JP H0545683A
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JP
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group
nonlinear optical
optical material
organic
organic nonlinear
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Application number
JP19943891A
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English (en)
Inventor
Juro Oshima
島 十 郎 尾
Tsuneaki Koike
池 恒 明 小
Hideo Hama
秀 雄 浜
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Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Original Assignee
Mitsui Petrochemical Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】一般式(I) 【化1】 で表わされる有機化合物からなる有機非線形光学材料お
よび該材料を含む有機非線形光学素子。 【効果】前記有機非線形光学材料は優れた非線形光学効
果を有し、光波長変換素子、電気光学素子などの有機非
線形光学素子に応用される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の技術分野】本発明は、光情報通信もしくは光情
報処理などの分野で用いられる有機非線形光学材料およ
びこれを用いた光波長変換素子、電気光学素子などの非
線形光学素子に関する。
【0002】
【発明の技術的背景】光情報通信もしくは光情報処理な
どの分野では、最近、有機非線形光学材料が注目されて
いる。この非線形光学材料とは、レーザー光を任意の波
長の光に変換したり、電圧の印加により屈折率が変化し
たりするなどの非線形光学効果を示す材料を意味し、な
かでもレーザー光をその1/2の波長の光にする(第2
高調波発振)効果を有する2次の有機非線形光学材料が
1983年の報告(ACS Symposium Series 233(1983))
以来、無機材料を凌駕する性能を示す材料として注目さ
れている。同様にレーザー光をその1/3の波長の光に
する(第3高調波発振)効果を有する2次の有機非線形
光学材料についても研究が進められている。
【0003】2次の有機非線形光学材料としては、たと
えば、芳香族環、ドナー性置換基およびアクセプター性
置換基を有し、芳香族環のπ電子がドナー性置換基およ
びアクセプター性置換基により分子内で分極した構造の
材料が挙げられる。この種の材料は、π電子部位で非線
形光学性が生じるため、非線形光学応答性が極めて高く
なると考えられている。また3次の非線形光学性は、π
共役鎖を有する分子に観察され、π共役鎖が長く、共役
性の高い分子ほど3次の非線形光学性が高いことが指摘
されている。
【0004】ところで高い2次の非線形光学応答性が期
待されるパラニトロアニリンは、光波長変換素子、電気
光学素子などの非線形光学素子として実用上不可欠な単
結晶状態にすると、隣接する2分子が互いに反転した構
造をとり、このため非線形光学性が失われる。このよう
に有機非線形光学材料は、隣接分子同士が中心対称とな
ると、非線形光学性が失われる傾向がある。このため、
このような隣接分子同士の対称性をなくす置換基や光学
活性を付与する置換基などを導入した有機化合物の合成
が行われている。たとえばこのようにして合成された2
−メチル−4−ニトロアニリンは、高い非線形光学性を
示すことが明らかにされている。
【0005】有機非線形光学材料は、分子内分極率が高
くなるにしたがって非線形光学性が高くなるが、分子内
での分極が高すぎると電荷移動が起こり、このため材料
の透明性が失われる。同時に、第2次高調波の波長と有
機非線形光学材料の最大吸収波長λmax とが合致して、
第2次高調波が効率よく取り出せなくなる。
【0006】さらに有機非線形光学材料を得るために、
直線状分子、たとえばスチルベンなどの分子の両端に高
いアクセプター性を有するニトロ基と高いドナー性を有
するアミノ基とが導入されている。しかしながら、この
ようにして得られた材料は、その隣接分子同士が中心対
称になり易い上、透明性がよくないなどの問題を有す
る。
【0007】これらの問題を解決するために、分子内の
π電子共役系の長さを限定したり、芳香族環内にヘテロ
原子を導入するなどの方法が試みられているが、根本的
な解決策は見出されていない。
【0008】他方、3次の有機非線形光学材料として
は、ポリジアセチレンなど、長いπ共役鎖を有する材料
が注目されている。3次の非線形光学材料は、2次の非
線形光学材料とは異なり、その隣接分子同士が中心対称
になっても非線形光学性が失われることはない。このた
め3次の有機非線形光学材料は、2次の非線形光学材料
に比較して選択の幅が広く、また、π共役鎖の長い材料
ほど良好な非線形光学性が期待できる。
【0009】しかしながらπ共役鎖が長くなるにつれて
溶媒への溶解性が低下し、加工性が乏しくなる。そこで
π共役鎖の側鎖に比較的バルキーな置換基を付加して溶
解性を改良しようとすると、重合度が低下してπ共役鎖
長が低下するという問題が生じる。
【0010】したがって3次の有機非線形光学材料にお
いては、溶剤に対する溶解性に優れ、しかも適度な長さ
のπ共役鎖を有し、3次の非線形光学性に優れた材料の
開発が望まれている。
【0011】
【発明の目的】本発明は上記のような事情に鑑みてなさ
れたものであって、可溶性、加工性に優れ、しかも良好
な非線形光学性を示す新規な有機非線形光学材料および
このような有機非線形光学材料が用いられている光波長
変換素子、電気光学素子などの非線形光学素子を提供す
ることを目的としている。
【0012】
【発明の概要】本発明に係る第1の有機非線形光学材料
は、下記一般式(I)
【0013】
【化2】
【0014】〔式中、Φ1およびΦ2は、互いに同一であ
っても異なっていてもよく、それぞれが芳香族環または
ヘテロ環であり、n、mは0〜4の整数であり、R1
よびR2は、互いに同一であっても異なっていてもよ
く、それぞれが電子供与基または電子受容基であり、R
1が直接Φ1と結合している(n=0)場合のR1の数は
複数であってもよく、R2が直接Φ2と結合している(m
=0)場合のR2の数は複数であってもよく、R3および
4は、互いに同一であっても異なっていてもよく、そ
れぞれが水素原子またはアルキル基、アリール基、アラ
ルキル基およびアルキルオキシ基からなる群より選ばれ
る基である。〕で表わされる有機化合物からなることを
特徴としている。
【0015】また本発明の非線形光学素子は、このよう
な有機非線形光学材料からなることを特徴としている。
【0016】
【発明の具体的説明】以下、本発明に係る有機非線形光
学材料について、具体的に説明する。本発明に係る有機
非線形光学材料は、π共役鎖を有する上記式(I)で表
される化合物からなっている。
【0017】これらのπ共役鎖を有する式(I)で表さ
れる有機化合物において、R1はn=0の場合には分子
の一方の末端に位置するΦ1に直接結合し、n≠0の場
合には分子の一方の末端に結合している。同様にR2
m=0の場合には分子の一方の末端に位置するΦ2に直
接結合し、m≠0の場合には分子の一方の末端に結合し
ている。
【0018】上記のいずれの場合にしても、R1および
2は電子供与基または電子受容基であるために、これ
らの置換基によって式(I)で表わされる化合物分子に
適度な分極が生じ、非線形性が付与される。
【0019】R1またはR2が電子受容基である場合に
は、この電子受容基はハメット値σが 0<σ<0.8 の範囲にあることが好ましい。
【0020】このような電子受容基としては、具体的に
は、ニトロ基、シアノ基、トリフルオロメチル基、トリ
フルオロメトキシ基、トリフルオロメチルチオ基、カル
バモイル基、ニトロソ基、シアナト基、チオシアナト
基、イソシアナト基、ホルミル基、あるいはメトキシカ
ルボニル、エトキシカルボニルなどのアルコキシカルボ
ニル基、ハロゲン化アルコキシカルボニル基、アセチル
基、プロピノイル基、ハロゲン化アシル基、スルフォ
基、スルフィノ基、スルフェノ基、ハロゲン原子などが
挙げられる。これらのうちニトロ基が好ましい。
【0021】またR1またはR2が電子供与基である場合
には、 この電子供与基は、ハメット値σが 0≧σ≧−0.83 の範囲にあることが好ましい。
【0022】このような電子供与基としては、具体的に
は、ジメチルアミノ基、アミノ基、ヒドロキシ基、フェ
ノキシ基などのアリールオキシ基、メトキシ基などのア
ルキルオキシ基、メチル基、エチル基、n-プロピル基、
n-ブチル基などの直鎖状アルキル基、イソプロピル基、
sec-ブチル基、sec-アミル基などの2級アルキル基、te
rt- ブチル基、tert- アミル基などの3級アルキル基、
アリール基、チオアルキル基などが挙げられる。これら
のうちメトキシ基が好ましい。
【0023】前記式(I)で表わされる化合物におい
て、n=0であってR1がΦ1と直接結合している場合に
は、R1の数は複数であってもよく、また複数個のR1
Φ1に結合している場合には、それぞれのR1は互いに同
一であっても異なっていてもよい。同様にm=0であっ
てR2がΦ2と直接結合している場合には、R2の数は複
数であってもよく、また複数個のR2がΦ2に結合してい
る場合には、それぞれのR2は互いに同一であっても異
なっていてもよい。
【0024】また前記式(I)で表わされる化合物にお
いて、R1は−(CH=CH)n−Φ1の分極が促進される
ように−(CH=CH)n−Φ1に結合していることが好ま
しく、R2は−(CH=CH)m−Φ2の分極が促進される
ように−(CH=CH)m−Φ2に結合していることが好ま
しい。
【0025】たとえばn=0であり、Φ1がベンゼン環
であり、R1の数が1である場合、すなわちベンゼン環
Φ1に1個のR1が直接結合している場合には、R1は、
ジアセチレン結合(−C≡C−C≡C−)に対してパラ
位でΦ1に結合していることが好ましく、またR1が複数
個ある場合には、ジアセチレン結合に対してパラ位およ
びメタ位でΦ1に結合していることが好ましい。
【0026】またn=1の場合には、R1はΦ1に対して
トランス位でビニレン基(−CH=CH−)に結合して
いることが好ましい。同様にm=0であり、Φ2がベン
ゼン環であり、R2の数が1である場合、すなわちベン
ゼン環Φ2に1個のR2が直接結合している場合には、R
2は、ジアセチレン結合に対してパラ位でΦ2に結合して
いることが好ましく、またR2が複数個ある場合には、
ジアセチレン結合に対してパラ位およびメタ位でΦ2
結合していることが好ましい。
【0027】またm=1の場合には、R2はΦ2に対して
トランス位でビニレン基(−CH=CH−)に結合して
いることが好ましい。nとmとがいずれも0であり、Φ
1およびΦ2がともにベンゼン環である場合、特にR1
よびR2のいずれか一方が電子受容基であって、他方が
電子供与基であり、R1がジアセチレン結合に対してパ
ラ位でΦ1に結合され、R2がジアセチレン結合に対して
パラ位でΦ2に結合されている場合が分子内分極効果が
最も高く、好ましい。
【0028】またnとmとがいずれも1である場合、特
にR1およびR2のいずれか一方が電子受容基であって、
他方が電子供与基であり、R1がΦ1に対してトランス位
でビニレン基に結合され、R2がΦ2に対してトランス位
でビニレン基に結合されている場合が分子内分極効果が
最も高く、好ましい。
【0029】上記式(I)で表わされる化合物に含まれ
るΦ1およびΦ2は、互いに同一であっても異なっていて
もよく、それぞれが芳香族環またはヘテロ環であり、芳
香族環、複素5員環または複素6員環が好ましく、特に
ベンゼン環または複素5員環が好ましい。これらの芳香
族環またはヘテロ環としては、具体的には、ベンゼン、
ピリジンなどの6員環、チオフェン、ピロール、フラ
ン、チアゾール、ピラゾールなどの複素5員環、ナフタ
レン、キノリンなどの10員環、オキサゾール、ベンゾ
チアゾールなどの複素芳香族環などが挙げられる。
【0030】上記式(I)で表わされる化合物では、こ
れらの芳香族環またはヘテロ環が電子共鳴の場を提供
し、これらの環によって非線形光学効果が有効に発揮さ
れるようになるが、ジアセチレン結合などによって形成
されるπ共役鎖も電子共鳴の場を提供し、このπ共役鎖
によって非線形光学効果がより一層有効に発揮されるよ
うになる。
【0031】上記式(I)で表わされる化合物中のR3
ないしR4は、互いに同一であっても異なっていてもよ
く、それぞれが水素原子またはアルキル基、アリール
基、アラルキル基およびアルキルオキシ基からなる群よ
り選ばれる基である。これらのうち、水素原子またはア
ルキル基が好ましく、アルキル基である場合には特にメ
チル基またはエチル基が好ましい。
【0032】上記のアルキル基は、直鎖状であっても分
岐していてもよく、炭素数が1〜6であり、好ましくは
炭素数が1〜3である。このようなアルキル基として
は、具体的には、メチル基、エチル基、n-プロピル基、
n-ブチル基などの直鎖状アルキル基、イソプロピル基、
sec-ブチル基、sec-アミル基などの2級アルキル基、te
rt- ブチル基、tert- アミル基などの3級アルキル基が
挙げられる。
【0033】上記のアリール基は、置換基を有していて
もよい。このようなアリール基としては、具体的には、
フェニル基、ナフチル基、トリル基、キシリル基などが
挙げられる。
【0034】上記アラルキル基としては、具体的には、
ベンジル基、フェネチル基、α- メチルベンジル基、ト
リルメチル基などが挙げられる。上記のアルキルオキシ
基は、直鎖状であっても分岐していてもよく、炭素数が
1〜6であり、好ましくは炭素数1〜3である。このよ
うなアルキルオキシ基としては、具体的には、メチルオ
キシ基、エチルオキシ基、n-プロピルオキシ基、n-ブチ
ルオキシ基などの直鎖状アルキルオキシ基、イソプロピ
ルオキシ基、sec-ブチルオキシ基、sec-アミルオキシ基
などの2級アルキルオキシ基、tert- ブチルオキシ基、
tert- アミルオキシ基などの3級アルキルオキシ基が挙
げられる。
【0035】上記式(I)で表わされる化合物では、分
子全体の分極が高くなるような位置にR3および/また
はR4が配置されていることが好ましい。たとえばΦ1
よびΦ2がベンゼン環の場合には、R3がジアセチレン結
合に対してオルト位でΦ1に結合されているとともにR4
がジアセチレン結合に対してメタ位でΦ2に結合されて
いるか、もしくはR3がジアセチレン結合に対してメタ
位でΦ1に結合されているとともにR4がジアセチレン結
合に対してオルト位でΦ2に結合されていることが好ま
しい。この場合、2個のR3がそれぞれジアセチレン結
合に対してオルト位でΦ1に結合されているか、もしく
は2個のR4がそれぞれジアセチレン結合に対してオル
ト位でΦ2に結合されていてもよい。なおΦ1に複数のR
3が結合している場合、それぞれのR3は互いに同一であ
っても異なっていてもよく、Φ2に複数のR4が結合して
いる場合、それぞれのR3は互いに同一であっても異な
っていてもよい。
【0036】さらにR3またはR4は、光学活性基である
ことが好ましい。R3またはR4が光学活性基であると、
分子の対称性が崩れ、単結晶を作製した場合、隣接分子
同士が中心対称となり難く、非線形光学性が効果的に保
持される。ここで、光学活性基とは不整炭素を有する
基、1つの炭素原子に3つの異なる基、たとえばメチル
基、エチル基、水素原子が結合している置換基を意味す
る。
【0037】また、上記式(I)で表わされる化合物
は、少なくとも1個の重水素を有することが好ましい。
上記式(I)で表わされる化合物としては、具体的に
は、以下の化合物(1)〜(5)が例示される。
【0038】
【化3】
【0039】上記式(I)で表わされるジアセチレン誘
導体は、Φ1骨格にエチニル基およびR1−(CH=CH)
n−が結合している化合物Aと、Φ2骨格にエチニル基お
よびR2−(CH=CH)m−が結合している化合物Bと
を、2価の銅などの触媒存在下で反応させることによっ
て得ることができる。
【0040】たとえば前記式(1)で表わされる化合物
は、次式の反応を経て合成される。
【0041】
【化4】
【0042】上記反応式から明らかなように、化合物A
およびBのエチニル基同士が触媒存在下で脱水素反応を
行なって所望のジアセチレン誘導体が得られる。この反
応は、通常、たとえばアルゴン、窒素などの不活性雰囲
気下で行なわれる。
【0043】本発明に係る有機非線形光学材料は、上記
のような式(I)で表わされる化合物からなり、結晶化
状態で用いられる。この結晶は、単結晶であることが好
ましいが、似たような結晶構造を有する他の成分との共
晶であってもよい。
【0044】また上記のような式(I)で表わされる化
合物の結晶は、マトリックス中に分散させて用いてもよ
い。
【0045】
【発明の効果】上述したように本発明に係る有機非線形
光学材料は、上記式(I)で表わされる有機化合物から
なり、Φ1環、Φ2環およびジアセチレン結合などのπ共
役鎖によって共鳴の場が与えられ、R1、R2、R3およ
びR4によって分子分極および分子配列がバランスよく
制御され、優れた非線形光学効果を有する。
【0046】このため本発明に係る有機非線形光学材料
は、2次または3次の非線形光学効果を利用した光波長
変換素子、電気光学素子などの非線形光学素子への応用
に好適である。
【0047】
【実施例】以下、本発明をさらに具体的な実施例に基づ
き説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるもの
ではない。
【0048】
【実施例1】ピリジン31ml中にo−エチニルフェニ
ルアルデヒド2.0gを含む溶液を、ピリジン91ml
中にCu(II)アセテート1水和物31gを含む溶液に
室温で1.5時間かけて滴下させ、滴下後、さらに2時
間攪拌した。得られた反応溶液から溶媒を除去した後の
赤色溶液をヘキサン/エーテル(2:3)でアルミナカ
ラムに展開させ、1.03gの生成物を得た。この生成
物をベンゼンで再結晶すると黄色針状結晶が得られた。
【0049】この黄色針状結晶の融点(MP)、マスス
ペクトル(MS)、赤外線スペクトル(IR)および1
H−NMRスペクトルの測定結果は下記の通りである。 MP :163−164℃ MS :m/z 258(M+、100%) IR :2270、2200cm-1(−C≡C−) 1700cm-1(−CHO)1 NMR(90MHz): 10.60ppm(s,2H,CHO) 7.90−8.10ppm(m,2H,benzeno
id H) 7.43−7.83ppm(m,6H,benzeno
id H) 以上の測定結果から、得られた黄色針状結晶は、前記化
合物(1)と同定された。
【0050】化合物(1)30mgを0.9mlのジク
ロロエタンに溶解させ、この溶液をクォーツ基板上に2
000回転で20秒間スピンコートし、次いで80℃で
1時間真空乾燥し、膜厚0.092μmの薄膜を得た。
【0051】この薄膜にNd+YAGレーザを照射して
THG強度測定を行なった。THG強度をクォーツに対
して比較した結果、0.32倍であった。
【0052】
【実施例2】ピリジン25ml中にo−エチニルシンナ
ムアルデヒド2.0gを含む溶液を、ピリジン75ml
中にCu(II)アセテート1水和物24.6gを含む溶
液に52−56℃の温度で1.0時間かけて滴下させ、
滴下後、さらに同じ温度で3時間攪拌した。得られた反
応溶液から溶媒を除去した後の濃茶褐色溶液をヘキサン
/エーテル(1:4)でアルミナカラムに展開させ、
1.4gの生成物を得た。この生成物をヘキサン/ベン
ゼンで再結晶すると黄色針状結晶が得られた。
【0053】この黄色針状結晶の融点(MP)、マスス
ペクトル(MS)、赤外線スペクトル(IR)および1
H−NMRスペクトルの測定結果は下記の通りである。 MP :203−204℃ MS :m/z 310(M+、17%)、254
(100) IR :2200cm-1(−C≡C−) 1680cm-1(−CHO) 980cm-1(trans−CH=CH−)1 NMR(90MHz): 10.10ppm(d,J=8Hz,2H,CHO) 8.02ppm(d,J=16Hz,2H,olefi
nic H) 7.35−7.87ppm(m,8H,benzeno
id H) 6.85ppm(dd,J=16Hz,8Hz,2H,
olefinic H) 以上の測定結果から、得られた黄色針状結晶は、前記化
合物(2)と同定された。
【0054】化合物(2)0.5mgを0.2mlのジ
クロロエタンに溶解させ、この溶液をクォーツ基板上に
2000回転で20秒間スピンコートし、次いで150
℃で1時間真空乾燥し、膜厚0.3424μmの薄膜を
得た。
【0055】この薄膜にNd+YAGレーザを照射して
THG強度測定を行なった。THG強度をクォーツに対
して比較した結果、0.31倍であった。
【0056】
【実施例3】ピリジン33ml中に7−(o−エチニル
フェニル)ヘプタ−2,4,6−トリエナール3.48
gを含む溶液を、ピリジン98ml中にCu(II)アセ
テート水和物32.0gを含む溶液に52−54℃の温
度で1.5時間かけて滴下させ、滴下後、さらに1時間
かけて攪拌した。得られた反応溶液から溶媒を除去した
後の赤色溶液をベンゼン/クロロフォルム(7:3)で
アルミナカラムに展開させ、1.97gの生成物を得
た。この生成物をヘキサン/THFで再結晶すると赤色
角状結晶が得られた。
【0057】この赤色角状結晶の融点(MP)、マスス
ペクトル(MS)、赤外線スペクトル(IR)および1
H−NMRスペクトルの測定結果は下記の通りである。 MP :186−188℃ MS :m/z 414(M+、59%)、396
(100) IR :2200cm-1(−C≡C−) 1670cm-1(−CHO) 1620cm-1(−CH=CH−) 1600cm-1(−CH=CH−) 1580cm-1(−CH=CH−) 1010,980cm-1(trans−CH=CH−)1 NMR(90MHz) 10.41ppm(d,J=9Hz,2H,CHO) 6.40−7.74ppm(m,18H,olefin
ic andbenzenoid H) 6.21(dd,17Hz,J=9Hz,2H,ole
finic H) 以上の測定結果から、得られた赤色角状結晶は、前記化
合物(3)と同定された。
【0058】化合物(3)50mgを0.5mlのジク
ロロエタンに溶解させ、この溶液をクォーツ基板上に2
000回転で20秒間スピンコートし、次いで80℃で
1時間真空乾燥し、膜厚0.493μmの薄膜を得た。
【0059】この薄膜にNd+YAGレーザを照射して
THG強度測定を行なった。THG強度をクォーツに対
して比較した結果、1.63倍であった。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一般式(I) 【化1】 〔式中、 Φ1およびΦ2は、互いに同一であっても異なっていても
    よく、それぞれが芳香族環またはヘテロ環であり、 n、mは0〜4の整数であり、 R1およびR2は、互いに同一であっても異なっていても
    よく、それぞれが電子供与基または電子受容基であり、
    1が直接Φ1と結合している(n=0)場合のR1の数
    は複数であってもよく、R2が直接Φ2と結合している
    (m=0)場合のR2の数は複数であってもよく、 R3およびR4は、互いに同一であっても異なっていても
    よく、それぞれが水素原子またはアルキル基、アリール
    基、アラルキル基およびアルキルオキシ基からなる群よ
    り選ばれる基である。〕で表わされる有機化合物からな
    ることを特徴とする有機非線形光学材料。
  2. 【請求項2】 Φ1およびΦ2が、ベンゼン環または複素
    5員環である請求項1記載の有機非線形光学材料。
  3. 【請求項3】 R3またはR4が、光学活性基である請求
    項1記載の有機非線形光学材料。
  4. 【請求項4】 前記式(I)で表わされる有機化合物
    が、少なくとも1つの重水素を有する請求項1記載の有
    機非線形光学材料。
  5. 【請求項5】 請求項1記載の有機非線形光学材料を含
    むことを特徴とする非線形光学素子。
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