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文檔簡(jiǎn)介

1、第6章 硝化 (Nitration),6.1 概述,6.2 硝化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與反應(yīng)歷程,6.3 影響硝化反應(yīng)的因素及硝化副反應(yīng),6.4 混酸硝化,6.5 硝酸硝化,6.6 芳胺的硝化,6.7 亞硝化,6.1 概述,往有機(jī)分子中引入硝基的反應(yīng)叫做硝化,如芳烴硝化:,硝化進(jìn)一步分為C-硝化、O-硝化、N-硝化,即硝基分別與C、O、N原子相連,這樣得到的化合物分別稱為硝基化合物、硝酸酯、硝胺。,在硝化劑作用下,硝基取代C、O、N上氫原子的方法是工業(yè)上用得最廣泛的一種引入硝基的方法,除此之外,還有用硝基去置換其它取代基的途徑,能被置換的基團(tuán)可以是鹵素、磺酸基、乙?;?,不過這種方法用得不多。,(苦味酸)

2、,脂肪烴類的硝化大多在氣相高溫下進(jìn)行,屬于自由基反應(yīng)歷程,由于這種硝化的選擇性差,產(chǎn)物常常是混合物,所以應(yīng)用不廣。,而芳烴硝化在精細(xì)化工產(chǎn)品合成中卻是常遇到的一類單元反應(yīng),它是通過親電取代的反應(yīng)歷程進(jìn)行的,我們本章重點(diǎn)討論的就是芳烴的硝化反應(yīng)。, 利用硝基的極性,改善或賦予化合物某些功能,如染料分子中引入硝基,常使染料顏色加深:,黃,紅,芳環(huán)上引入硝基的作用:,通過硝基還原是制取氨基化合物的重要途徑,而氨基化合物是多種精細(xì)化學(xué)品的重要中間體,在染料、塑料、助劑等方面都有應(yīng)用。,硝基化合物在印染工業(yè),國(guó)防工業(yè)也有應(yīng)用, 是印染工業(yè)上使用的溫和氧化劑,多硝基芳烴是烈性炸藥,如TNT(三硝基甲苯)。

3、,硝化反應(yīng)的特點(diǎn):, 硝化反應(yīng)是不可逆的(與磺化不同),因此硝化過程中硝基進(jìn)入的位置是受動(dòng)力學(xué)控制的。,硝化反應(yīng)進(jìn)行速度快,放熱量大,而且硝基物多是 易燃易爆品,硝化反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí),必須強(qiáng)化傳熱,要特別注意安全。,一般被硝化物在硝化劑中溶解度很小,工業(yè)硝化大多是非均相硝化,反應(yīng)在兩相界面或酸相中發(fā)生,有機(jī)物與混酸的比重差較大,容易分層,因此硝化反應(yīng)過程中傳質(zhì)(攪拌)是至關(guān)重要的。,芳烴硝化常用的硝化劑有:濃硝酸、稀硝酸、硝酸和硫酸組成的混酸,混酸硝化使用最多,另外在一些特殊情況下采用硝酸在有機(jī)溶劑中來進(jìn)行硝化。根據(jù)硝化劑的不同,硝化方法分為四種:,(1)稀硝酸硝化:硝化能力較弱,只適用于非常活潑

4、的芳 烴,如酚類、醚類化合物。,(2)濃硝酸硝化:從反應(yīng)理論上看,大多化合物都可以用濃硝酸來進(jìn)行硝化。,問題在于反應(yīng)中生成的水使硝酸稀釋,減弱了硝化能力,為保持足夠的反應(yīng)能力,必須使用大大過量的硝酸,過量的硝酸必須設(shè)法回收或利用,而且廢硝酸的處理比硫酸更麻煩,除非是特殊情況,一般不采用這種方法。,(3)硝酸和硫酸混酸硝化:這是工業(yè)上使用最廣泛的一 類硝化劑,有很多優(yōu)點(diǎn):,硝化能力強(qiáng),硫酸是強(qiáng)脫水劑,對(duì)親電質(zhì)點(diǎn) 形成有利;,硝酸得以充分利用,使用接近理論量硝酸可以反應(yīng)完全, 且廢酸可回收利用;,硫酸熱容大,反應(yīng)溫度較平穩(wěn),反應(yīng)過程便于控制;,混酸對(duì)設(shè)備腐蝕性小于純硝酸。,混酸硝化分均相和非均相兩

5、種情況:前者被硝化物和產(chǎn)物在反應(yīng)溫度下呈固體,使用大量濃硫酸來溶解物料后,用混酸進(jìn)行硝化;當(dāng)被硝化物和產(chǎn)物在反應(yīng)溫度下是液體,且不溶于混酸中,用混酸進(jìn)行非均相硝化,在劇烈攪拌下,有機(jī)相被分散在酸相中完成硝化。,(4)在有機(jī)溶劑中硝化,在有機(jī)溶劑中硝化反應(yīng)比較平穩(wěn),避免使用大量硫酸,常??梢愿淖儺悩?gòu)體生成比例,但溶劑成本較高,且涉及到溶劑回收,工業(yè)上一般避免采用。在實(shí)驗(yàn)室中為了某種需要時(shí)采用,常用溶劑有乙酸、乙酐、二氯甲烷、二氯乙烷等。,除上述方法外,近年來研究開發(fā)了新的硝化方法,如用NO2作硝化劑進(jìn)行硝化,還有以含游離磺酸基失水樹脂代替濃硫酸進(jìn)行硝化,這些新方法還處于探索、研究階段,尚未工業(yè)化

6、。,6.2 硝化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與反應(yīng)歷程,6.2.1 硝化的活潑質(zhì)點(diǎn),硝酸在不同條件下發(fā)生的解離不同,可進(jìn)行酸、堿式解離:,(1),(2)在沒有硫酸存在下,100%硝酸中也發(fā)現(xiàn)有硝基正離 子,這可能發(fā)生下述解離:,H2SO4-HNO3-H2O三元系統(tǒng)中NO2+的質(zhì)量摩爾濃度(mol kg-1),H2SO4,H2O,HNO3,一硝化,的極限,二硝化,的極限,在光譜中檢測(cè),不出,NO2OH,H2O%(mol),HNO3%(mol),H2SO4%(mol),0.0,0.5,1.0,1.5,NO2+可測(cè)極限濃度與二硝化極限接近重合,二硝化極限與一硝化之間發(fā)生一硝化反應(yīng),沒有NO2+ ,平衡態(tài)解離出NO2+

7、即反應(yīng),無NO2+積累。,6.2.2均相硝化動(dòng)力學(xué),1.在有機(jī)溶劑中的均相硝化,活潑芳烴,如甲苯在有機(jī)溶劑和大過量無水硝酸中低溫硝化反應(yīng)是這樣進(jìn)行的:, 慢,A,r,-,H,+,N,O,2,+,A,r,+,NO2,H,A,r,+,NO2,H,A,r,N,O,2,+,H,+,2.在硫酸存在下的均相硝化,芳烴在濃硫酸介質(zhì)中硝化是一個(gè)二級(jí)反應(yīng),其動(dòng)力學(xué)方 程:,即硝化反應(yīng)速率對(duì)芳烴和硝酸來說分別是一級(jí),表觀速率常數(shù) k 隨著硫酸濃度的變化而不同。對(duì)各種不同結(jié)構(gòu)的芳烴進(jìn)行硝化時(shí),發(fā)現(xiàn)當(dāng)硫酸濃度在90%左右時(shí),反應(yīng)速率常數(shù)最大,超過這個(gè)最大值,硫酸濃度再提高,反應(yīng)速率常數(shù)反而下降。目前對(duì)這一現(xiàn)象有兩種解

8、釋:,(1)芳烴質(zhì)子化理論,然而對(duì)于在濃硫酸中也很難發(fā)生質(zhì)子化的芳烴,在90%硫酸介質(zhì)中同樣表現(xiàn)出反應(yīng)速率常數(shù)最大,這用質(zhì)子化理論是不能解釋的。,另一種解釋認(rèn)為與溶劑的介電常數(shù)有關(guān),絡(luò)合物的形成難易與芳環(huán)上的電荷密度有關(guān),根據(jù)溶劑化效應(yīng)的一般規(guī)律,溶劑的介電常數(shù)越低,越有利于絡(luò)合物的形成。100%硫酸的介電常數(shù)比90%硫酸大,故90%硫酸有利于形成絡(luò)合物,因此它的硝化速率常數(shù)最大。,6.2.3非均相硝化動(dòng)力學(xué),非均相硝化,除了化學(xué)反應(yīng)外,傳質(zhì)因素對(duì)反應(yīng)速率有直接影響。由于化學(xué)反應(yīng)和傳質(zhì)兩種因素穿插在一起,所以研究它的動(dòng)力學(xué)比較困難。不作介紹。,(2),混酸、濃硝酸硝化歷程,這種情況下,硝化的活

9、潑質(zhì)點(diǎn)是 , 首先向芳環(huán)發(fā)生親電進(jìn)攻生成絡(luò)合物,然后轉(zhuǎn)變成絡(luò)合物,再脫質(zhì)子得硝化產(chǎn)物。,動(dòng)力學(xué)同位素實(shí)驗(yàn)表明,在大多情況下沒有同位素效應(yīng),形成絡(luò)合物是反應(yīng)速度控制階段,但在個(gè)別反應(yīng)中,由于空間效應(yīng)的影響,表現(xiàn)出有同位素效應(yīng)。,6.2.4硝化反應(yīng)歷程,(2)稀硝酸硝化,但這種假設(shè)對(duì)某些實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能作出圓滿解釋,于是有人提出可能是自由基歷程。,除上述二種反應(yīng)歷程外,還有:,b.在乙酐中硝化的歷程,,c.汞鹽存在下氧化硝化歷程,,d.氣相中N2O4硝化歷程,,e.依潑束硝化(ipso nitration).,這些硝化應(yīng)用不很普遍,有的理論正在研究發(fā)展中。,a.硝基鹽硝化的歷程,,6.3 影響硝化反應(yīng)

10、的因素及硝化副反應(yīng),(1)被硝化物性質(zhì),共性問題(供電基,吸電基),硝化、磺化都是親電取代,硝化劑親電性強(qiáng),反應(yīng)質(zhì)點(diǎn)體積小,不存在空間障礙問題,硝化的定位選擇性不如磺化:,萘硝化時(shí),位絡(luò)合物穩(wěn)定性高,主要生成-硝基衍生物。,(2)硝化劑,不同的硝化劑對(duì)硝化結(jié)果是有影響的,愈難硝化的有機(jī)物,愈要選擇硝化能力強(qiáng)的硝化劑。另外對(duì)一種有機(jī)物采用不同的硝化劑硝化,所得產(chǎn)物異構(gòu)體組成不同:,濃硫酸+HNO3 發(fā)煙酸+HNO3,硝化劑中加某些添加劑,會(huì)影響異構(gòu)體比例,甲苯混酸硝化,加適量磷酸能增加對(duì)位異構(gòu)體收率。,(3)溫度,硝化是強(qiáng)放熱反應(yīng),而且混酸硝化時(shí),混酸中硫酸被反應(yīng)生成水稀釋還放出稀釋熱,苯硝化時(shí)

11、總的熱效應(yīng)為134kJ/mol。硝化過程中熱量的移出是極為重要的,設(shè)備中要帶夾套,蛇管冷卻,否則反應(yīng)溫度一高,不僅引起多硝化,氧化等副反應(yīng),還會(huì)造成硝酸分解,甚至發(fā)生爆炸事故,因此硝化過程中必須嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度。,(4)攪拌,大多硝化反應(yīng)是非均相的,傳質(zhì)很重要,要有攪拌良好的高效攪拌器。攪拌器轉(zhuǎn)速加快,有利于液滴的分散,增大界面,減少傳質(zhì)阻力,反應(yīng)速率明顯加快,但超過一定轉(zhuǎn)速后,對(duì)速率的影響不很明顯。,硝化過程中突然停止攪拌或攪拌漿葉脫落,使攪拌失效是非常危險(xiǎn)的,因攪拌一停兩相很快分層,硝化活潑質(zhì)點(diǎn)聚集在酸相中,一旦再起動(dòng)起來,瞬間激烈反應(yīng)放出大量熱,溫度失控,容易發(fā)生爆炸。,(5)硝化副反應(yīng)

12、,氧化氮和新生態(tài)氧都具有氧化性,在氧化過程中又放出大量熱,溫度升高,進(jìn)一步加快副反應(yīng),是一個(gè)惡性循環(huán)過程。,吸電基使反應(yīng)活性降低,而副反應(yīng)引上的羥基是供電基,增加反應(yīng)活性,容易進(jìn)一步硝化,生成多硝基物:,環(huán)上氧化:,C,H,3,O,H,N,O,2,嚴(yán)格控制硝化反應(yīng)條件,改進(jìn)反應(yīng)設(shè)備,隨時(shí)排 除產(chǎn)生的二氧化氮,使酚類副產(chǎn)降至最低;,b. 加強(qiáng)后處理洗滌,使酚類副產(chǎn)在洗滌過程中盡量 除去,然后進(jìn)入蒸餾釜。,顯然副反應(yīng)與反應(yīng)體系中氮的氧化物有關(guān),因此,關(guān)鍵在于嚴(yán)格控制反應(yīng),防止硝酸分解是最根本的措施。,可見硝化副反應(yīng)不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量和收率,更重要的是會(huì)引起爆炸事故的發(fā)生,所以必須高度重視,采取一些措

13、施:,6.4 混酸硝化,是應(yīng)用最廣泛的硝化方法,苯系的苯、甲苯、氯苯;萘系的-、-萘磺酸的硝化都可采用。,6.4.1 混酸組成的選擇,用混酸硝化首先涉及混酸的配制,引入幾個(gè)概念:,(1)硝酸比():硝酸和被硝化物的摩爾比。,(2)硫酸脫水值:D.V.S.(Dehydrating Value of Sulfuric Acid),定義:在硝化終了時(shí)廢酸中硫酸與水的重量比。,(混酸硝化能力的強(qiáng)弱取決于硫酸的濃度,這個(gè)概念是混酸硝化能力的一種表示方法),S+N+W=100,:實(shí)際加硝酸量/理論用量,(3)廢酸計(jì)算濃度,又稱硝化活性因數(shù),F(xiàn).N.A.(Factor of Nitrating Activi

14、ty),(4) 相比,也叫酸油比,即混酸與被硝化物的重量比。,從D.V.S.和F.N.A.的表達(dá)式可見,當(dāng)D.V.S., F.N.A.為常數(shù)時(shí),S、N互為變量,是一個(gè)直線方程,即規(guī)定了硫酸脫水值(或廢酸濃度),可以配制出多種配比的混酸,即在這一直線上的所有混酸組成都可滿足。,選擇混酸成分時(shí)一般應(yīng)符合以下原則: (1)充分利用硝酸; (2)充分發(fā)揮硫酸的作用; (3)在原料酸所能配出的范圍以內(nèi); (4)廢酸對(duì)設(shè)備的腐蝕性小。,例:A、 B組成的混酸:,它們的F.N.A.=70%, D.V.S.=2.33,具體分析這兩種混酸有什么區(qū)別?,(2)兩種混酸消耗的量:每摩爾ArH進(jìn)行一硝化 (=1),耗

15、去硝酸的量是63g,那么混酸用量,綜上所述,兩種混酸比較:從產(chǎn)品質(zhì)量,反應(yīng)的平穩(wěn)性考慮,采用B種混酸好,但是B種混酸消耗量大,設(shè)備的利用率低。消耗混酸量的多或少,即是相比的大或小。,那么相比取多大為好?在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,相比小是比較經(jīng)濟(jì)的。,當(dāng)相比、硝酸比和廢酸濃度確定下來之后,S、N就是一定的,即混酸組成就確定了。,6.4.2 混酸配制,從以上討論可知確定了相比、硝酸比和廢酸濃度(或D.V.S.)之后,就可計(jì)算出混酸的組成S.N.W,然后根據(jù)物料衡算,計(jì)算出所配混酸需要各種原料酸的量,通常:,一般廢酸當(dāng)中含少量的硝化產(chǎn)物和氮的氧化物,氮的氧化物能與硫酸反應(yīng):,消耗硫酸并生成水,所以配制

16、前需要對(duì)廢酸進(jìn)行全分析,在配酸計(jì)算時(shí)加以修正。,根據(jù)計(jì)算所需各種原料酸的量來配混酸。對(duì)大噸位產(chǎn)品采用連續(xù)式配酸,而小批量生產(chǎn)情況下,采用間歇配制,在配酸罐里要裝有機(jī)械攪拌及冷卻裝置,以除去配混中放出的熱量,減少硝酸的揮發(fā)、分解。通常為減輕設(shè)備腐蝕,先將硫酸打入,然后冷卻下加入硝酸、水?;焖崤渲坪笠M(jìn)行組分分析,合格后方可使用。,6.4.3 硝化操作,混酸硝化是在液相中進(jìn)行的,從操作方式分:有間歇和連續(xù)兩種方式;從加料順序來分:有正加法、反加法、并加法三種,根據(jù)被硝化物性質(zhì)及生產(chǎn)方式來選擇適宜的加料順序。,大多混酸硝化是非均相反應(yīng),混酸與被硝化物不互溶,而且反應(yīng)放熱量大,因此對(duì)硝化反應(yīng)器要求:傳

17、質(zhì)好、傳熱好。無論連續(xù),間歇的硝化反應(yīng)器都必須有高效攪拌器,常用的有漿式、推進(jìn)式、渦輪式三種,轉(zhuǎn)數(shù)100400轉(zhuǎn)/分;有足夠傳熱設(shè)施,采用夾套和蛇管雙重?zé)峤粨Q裝置。,有時(shí)為強(qiáng)化混合,在硝化鍋中裝有導(dǎo)流筒,或?qū)⑸吖荛g縫隙焊接起來兼做導(dǎo)流筒。下圖a是常見的硝化鍋示意圖。,近年來又研制出一種新型環(huán)形硝化器,見下圖b所示。,反應(yīng)器右側(cè)是管式反應(yīng)器,左側(cè)是熱交換器,物料進(jìn)入反應(yīng)器后,先經(jīng)多個(gè)推進(jìn)式攪拌器充分混合均勻,反應(yīng)區(qū)反應(yīng)熱主要靠冷卻后物料帶走,這種新型反應(yīng)器比傳統(tǒng)硝化鍋傳熱效果好,得到的硝化產(chǎn)品質(zhì)量較好。,6.4.4 硝化產(chǎn)物的后處理,硝化產(chǎn)物與廢酸的分離是利用二者的比重差來進(jìn)行的,硝化物料沿切線

18、方向進(jìn)入連續(xù)分離器,為了加速二者分離,可加入少量叔辛胺。,在分離器上層分出的硝化物中含有酚類副產(chǎn)和少量無機(jī)酸,需要通過水洗,堿洗工序來除去,清洗要徹底,否則酚類副產(chǎn)隨硝化物進(jìn)到蒸餾塔中是相當(dāng)危險(xiǎn)的,容易導(dǎo)致爆炸事故發(fā)生。在水洗時(shí)注意防止乳化現(xiàn)象,如發(fā)生乳化會(huì)影響洗滌分離的效果。,從分離器下面分出的是廢酸,廢酸中含有少量未反應(yīng)的硝酸和硝基物,一般采用原料被硝化芳烴對(duì)廢酸進(jìn)行萃取,在萃取鍋中完成萃取之后再經(jīng)過一個(gè)分離器,分出的酸性芳烴送到硝化器中進(jìn)行硝化,萃取后的廢酸送去蒸發(fā)濃縮,將反應(yīng)后稀釋的硫酸濃度濃縮到92.595%左右,再作為原料酸來配制混酸用。,6.4.5 苯硝化制硝基苯工藝,用混酸硝化

19、制硝基苯早期是采用間歇硝化法,六十年代后逐步發(fā)展了各種連續(xù)硝化的工藝,目前我國(guó)采用較廣泛的是低溫連續(xù)化工藝,下圖是苯硝化的流程圖:,苯連續(xù)一硝化流程示意圖 1,2硝化釜;3,5,9,11分離器;4萃取釜;6,7泵;8,10文丘里管混合器,工藝條件: 硝酸比 1.011.05 D.V.S. 2.332.58 混酸中 S 4649.5 N 4447,按上述物料配比,把配好的混酸和萃取的酸性苯連續(xù)加入1#硝化鍋中,然后靠位差溢流到2#鍋,1#鍋溫度控制在6870,2#鍋在6568,從2#硝化鍋流出的物料連續(xù)進(jìn)入分離器,上面分出的酸性硝基苯進(jìn)8#混合器水洗,再進(jìn)入9#分離器,下面分出的有機(jī)物料,經(jīng)10

20、#混合器用堿水洗,再經(jīng)11#分離器,分出中性硝基苯去蒸餾得成品。,從3#分離器下面分出的廢酸進(jìn)4#萃取鍋,用新鮮苯萃取后進(jìn)5#分離器,分出含24%硝基苯的酸性苯,送至1#硝化鍋,萃取后的廢酸送去濃縮。,另外,氯苯、甲苯等苯衍生物可用類似方法進(jìn)行硝化。這一工藝過程主要缺點(diǎn)是產(chǎn)生大量廢酸,盡管可濃縮循環(huán)使用,但耗能高,而且產(chǎn)生大量含硝基廢水,給三廢治理帶來麻煩。,6.4.6 硝化異構(gòu)體的分離,硝基化合物異構(gòu)體的分離有兩種方法化學(xué)法和物理法。,如磺化中講到的,硝基苯硝化制間二硝基苯時(shí),產(chǎn)品中有部分-o,-p異構(gòu)體,可采用亞硫酸鈉進(jìn)行精制:,(1)化學(xué)法:利用異構(gòu)體化學(xué)性質(zhì)上的差異,通過某一 化學(xué)方法

21、達(dá)到分離目的。,溶于水中分離出來,(2)物理法:利用異構(gòu)體物理性能上的差異,如m.p、 b.p的不同進(jìn)行分離。,通過結(jié)晶,蒸餾等手段達(dá)到分離的目的。顯然異構(gòu)體間這種差異愈大,愈易分離,差異小,就很難分開,如氯苯硝化,主要得-o、-p異構(gòu)體,其中-p體占2/3左右,兩者物性:,可見兩者的b.p差只有3.7,采用蒸餾分離相當(dāng)困難,需要效率很高的分餾塔才行( 計(jì)算要75塊理論塔板)。,它們的m.p差較大,理論上用結(jié)晶法可以分離,遺憾的是這里存在最低共熔問題,結(jié)晶也有困難,因此只有采用精餾-結(jié)晶相結(jié)合的方法進(jìn)行分離,過程是:,這種分離過程很繁雜,目前美國(guó)專利提出,用不同型號(hào)的沸石進(jìn)行吸附實(shí)現(xiàn)異構(gòu)體分離

22、,另外還可利用各種異構(gòu)體在不同溶劑或不同酸度介質(zhì)中溶解度的差異來進(jìn)行分離,如用二氯乙烷分離1.5-,1.8 二硝基萘,用環(huán)丁砜或二甲苯分離1.5-,1.8-二硝基蒽醌。,以上詳細(xì)介紹了混酸硝化,其優(yōu)點(diǎn)很多,但也存在廢酸處理及產(chǎn)生大量含有機(jī)物廢水的缺點(diǎn)。很早就有人提出用硝酸進(jìn)行硝化,這里主要問題是反應(yīng)生成水將硝酸稀釋,降低了硝化能力,因此用濃硝酸硝化,要用大大過量的硝酸。然而過量硝酸的后處理有難度,而且稀釋的硝酸對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重,對(duì)設(shè)備材質(zhì)要有耐酸要求,所以目前工業(yè)上只有少數(shù)品種采用濃硝酸或稀硝酸進(jìn)行硝化。,(1)濃硝酸硝化 例:1-硝基蒽醌的生產(chǎn),1-NH2AQ是蒽醌系染料的重要中間體,過去生產(chǎn)路線:,6.5 硝酸硝化,這條路線產(chǎn)品質(zhì)量好,但嚴(yán)重的汞害限制了它的使用。改用1-NO2AQ還原路線,AQ硝化如用混酸進(jìn)行,2-硝基和二硝基蒽醌副產(chǎn)較多,于是提出用濃硝酸,在較低溫度下硝化,有利于提高1-NO2AQ的收率。,工藝條件: 98%硝酸 分子比 1:15 反應(yīng)溫度 25,控制未反應(yīng)蒽醌在2%時(shí)作為終點(diǎn),反應(yīng)

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