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文檔簡介

第四章

核磁共振波譜分析法一、核磁共振譜圖的類型二、解析分子譜圖的特殊技術(shù)-簡化譜圖法三、1H

NMR譜圖一般步驟四、譜圖解析與結(jié)構(gòu)確定第六節(jié)

譜圖解析與化合物結(jié)構(gòu)確定一、核磁共振圖譜的類型1.一級譜(1)一級譜的條件(a)一個自旋體系中的兩組質(zhì)子△ν/J≥6。(b)在自旋體系中同一組質(zhì)子的各個質(zhì)子必須是磁等價的。(2)一級譜的規(guī)律(a)磁等價的質(zhì)子之間有偶合,但不裂分。(b)磁不等價的質(zhì)子之間有偶合,裂分峰數(shù)目符合n+1規(guī)律。(c)裂分峰強度比相當于(a+b)n展開式的系數(shù)比(d)裂分峰以該質(zhì)子化學(xué)位移為中心,峰形左右對稱。(e)偶合常數(shù)可從圖上直接讀出來。(f)不同類型質(zhì)子積分面積之比等于質(zhì)子的個數(shù)之比?!鳓?gt;6JAXJAXJAX△ν=3JABJABJAB△ν<J△ν=02、高級譜△ν/J<6時,互相偶合作用強,峰形發(fā)生畸變。高級譜:AB、AB2、ABX、A2B2、AB3、A2B3

特點:和J不能直接量出而要通過計算得到;譜線數(shù)目超出n+1規(guī)律的計算數(shù)目;裂分峰的相對強度關(guān)系復(fù)雜。(2)AX2系統(tǒng)JAXJAXνAνXAXCHCH2654CHCl2CH2Cl的核磁共振五條線A三條1:2:1

X兩條1:1三重峰和雙峰的裂距大小等于偶合常數(shù)JAX。各組峰的中心即化學(xué)位移。CHaClHXHXClClC(3)AMX系統(tǒng)(1)有12條譜線,A、M、X各占4條,強度接近。

(2)12條譜線有三種和三種J。(3)每組四重峰的中點為該核的化學(xué)位移。JAXJAXJMXJMXJAMJAM畫法2AMX系統(tǒng)νAνMνXJAMνAνMνXνXJAXJAXJMXJMXJAM畫法1νMνA三個相互偶合的核,各核間的化學(xué)位移差值均遠大于任意一個J。

△AM》JAM,△Ax》JAx,

△MX》JMX,OPhHMHAHX2.53.03.5氧化苯乙烯裂分系統(tǒng)JAXJAMAJAXJMXXJMXJAMMX=3.69,A=2.96,M=2.61AB系統(tǒng)(a)JAB=

ν1-ν2=ν3-ν4(b)△νAB=[(D+JAB)(D-JAB)]1/2=[(ν1-ν4)(ν2-ν3)]1/2C=1/2[(ν1-ν4)-△νAB]νA=ν1–C;νB=

ν4+CACCDDBνAν4ν3ν2ν1νBJABJABνAB(c)峰的強度比I1=I4I2=I3124I2I1I3I4==D-JABD+JAB=ν2-ν3ν1-ν4注意:解析AB四重峰時譜線不能交叉,即1、2線屬于

A核,3、4線屬于B核,2、3線不能互換,HAHBC=CHAHBC=CHAHBC=CHAHB常見的AB系統(tǒng):(偕偶、具有重鍵的鄰偶)例(5)AB2系統(tǒng)JAXJAXνAνXAXAX2系統(tǒng)中隨著νA、νB差值減小,轉(zhuǎn)變成AB2系統(tǒng)νAνB△ν/J

=0.356123478νAνB△ν/J

=2.05612347892,6-二甲基吡啶吡啶環(huán)上三個氫構(gòu)成典型的AB2系統(tǒng)。8條峰,按由左至右,頻率ν1~ν8456,449.5,447,440.5,421.5,420.5,414,412.5JAB=1/3[(ν1-ν4)+(ν6-ν8)]=1/3(15.5+8)=8HzνA=ν3=447HzνB=1/2(ν5+ν7)

=417.8Hz

A=νA/儀器兆周數(shù)=447

/60=7.45ppmB=νA/儀器兆周數(shù)=417.8

/60=6.96ppmOHBBAOHOHRRRABBNRRABBCH-CH2AB2CH–CH-CHABB常見的AB2系統(tǒng):二、解析復(fù)雜譜圖的特殊技術(shù)-簡化譜圖法1.加大磁場強度磁場強度加大,

δ

值增大,但J不變,當△ν>>J時,高級譜就簡化為一級譜,可采用一級近似處理?!鳓?0.1ppm100MHz10Hz500MHz50HzJ=5Hz100MHz△ν/J=2—高級譜500MHz△ν/J=10—一級譜2.核磁雙共振(雙照射法)采用兩個射頻場,同時照射樣品。在用B1掃描觀察圖譜(A)的同時,用B2來干擾核的自旋體系(X)。

雙照射法可使復(fù)雜的譜線簡化,同時可以準確確定某多重峰的化學(xué)位移,確定核群之間的偶合關(guān)系。符號用Am{Xn}表示。

A-被觀察的核,X-被干擾的核。m、n-核的數(shù)目。

雙共振同核雙共振1H{1H}異核雙共振13C{1H}Am{Xn}雙照射的各種類型A核多重峰的疊合為一A核譜線部分簡化A的某些相關(guān)峰發(fā)生分裂A的峰面積發(fā)生變化自旋去偶選擇性自旋去偶撓癢法核Overhauser效應(yīng)>nJAX~JAXW*1/2<<JAX<W1/2一般現(xiàn)象名稱照射強度*W1/2為半峰寬按照B2照射強度的不同,產(chǎn)生的效果不同。(1)自旋去偶法

原理:

不同的Ha和Hb有偶合。當用B1射頻掃描時,同時用B2照射Hb使之達到自旋飽和,此時Hb對Ha不再有兩種不同的影響,使Ha的雙峰變成了單峰例B2B1_CH2__CH3Ph_CH2

CH3的CH2

CH3自旋去偶圖1.02.03.0_CH2__CH3Ph_CH2

CH3的CH2

CH3部分NMR圖abW2W1ab(b)自旋去偶(a)照射前3、化學(xué)位移試劑能夠使化學(xué)位移引起較大移動使不同吸收峰拉開距離的一種試劑。常用的是鑭系金屬的β二酮配合物(銪(Eu)鐠(Pr)的配合物)。M(DPM)3M(FOD)3M=Eu

3+,Pr3+位移試劑對帶孤對電子的化合物都有明顯的增大位移、拉開圖譜的作用。對一些官能團的位移影響的大小順序:-NH>-OH>C=O>-O->-COOR>-CN三、1HNMR圖譜解析的一般步驟1.檢查圖譜是否合格:基線平坦、TMS信號為零、樣品中干擾雜質(zhì)、積分線沒有信號處應(yīng)平坦。2、識別雜質(zhì)峰。3、已知分子式則先算出不飽和度。4、按積分面積算出各組面積質(zhì)子的相對面積比,若總原子個數(shù)已知,則可算出每組峰的氫原子個數(shù)。5、先解析CH3O-、CH3N-、CH3Ph-、CH3C=等孤立的甲基信號,這些甲基均為單峰。6、解釋低磁場δ>10處出現(xiàn)的-COOH、-CHO及分子內(nèi)氫鍵出現(xiàn)的信號。7、解釋芳氫信號,一般在7~8附近,經(jīng)常是一堆J較小,圖形亂的小峰。8、先解釋圖中的一級譜,找出δ和J,解釋各組峰的歸屬。再解釋高級譜。9、若譜圖復(fù)雜,應(yīng)用簡化譜圖技術(shù)。四、譜圖解析與結(jié)構(gòu)確定(1)峰的數(shù)目:標志分子中磁不等性質(zhì)子的種類,多少種;(2)峰的強度(面積):每類質(zhì)子的數(shù)目(相對),多少個;(3)峰的位移():每類質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境,化合物中位置;(4)峰的裂分數(shù):相鄰碳原子上質(zhì)子數(shù);不足之處:僅能確定質(zhì)子(氫譜)。(5)偶合常數(shù)(J):確定化合物構(gòu)型。1.譜圖中化合物的結(jié)構(gòu)信息質(zhì)子a與質(zhì)子b所處的化學(xué)環(huán)境不同,兩個單峰。單峰:沒有相鄰碳原子(或相鄰碳原子無質(zhì)子)質(zhì)子b直接與吸電子元素相連,產(chǎn)生去屏蔽效應(yīng),峰在低場(相對與質(zhì)子a)出現(xiàn)。質(zhì)子a也受其影響,峰也向低場位移。譜圖解析(2)質(zhì)子b與I相連,較質(zhì)子a位于低場;質(zhì)子b與CH3相連,裂分為四重峰,譜圖解析(3)3、譜圖解析與結(jié)構(gòu)確定5223化合物C10H12O2876543210譜圖解析與結(jié)構(gòu)確定(1)正確結(jié)構(gòu):u=1+10+1/2(-12)=5δ2.1單峰三個氫,—CH3峰結(jié)構(gòu)中有氧原子,可能具有:δ7.3芳環(huán)上氫,單峰烷基單取代CH2CH2OCOCH3abcδ3.0δ4.30δ2.1

δ3.0和δ4.30三重峰和三重峰

O—CH2CH2—相互偶合峰

譜圖解析與結(jié)構(gòu)確定(2)9δ5.30δ3.38δ1.37C7H16O3,推斷其結(jié)構(gòu)61結(jié)構(gòu)確定(2)C7H16O3,u=1+7+1/2(-16)=0a.δ3.38和δ1.37四重峰和三重峰

—CH2CH3相互偶合峰

b.δ3.38含有—O—CH2結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中有三個氧原子,可能具有(—O—CH2)3c.δ5.3CH上氫吸收峰,低場與電負性基團相連正確結(jié)構(gòu):9δ5.30δ3.38δ1.3761譜圖解析與結(jié)構(gòu)確定(3)化合物C10H12O2,推斷結(jié)構(gòu)δ7.3δ5.21δ1.2δ2.35H2H2H3H結(jié)構(gòu)確定(3)化合物C10H12O2,u=1+10+1/2(-12)=51)δ

2.32和δ1.2-CH2CH3相互偶合峰2)δ7.3芳環(huán)上氫,單峰烷基單取代3)δ5.21-CH2上氫,低場與電負性基團相連哪個正確?正確:B為什么?δ7.3δ5.21δ1.2δ2.35H2H2H3H譜圖解析與結(jié)構(gòu)確定(4)化合物C8H8O2,推斷其結(jié)構(gòu)987654310結(jié)構(gòu)確定(4)化合物C8H8O2,u=1+8+1/2(-8)=57.8芳環(huán)上氫,四個峰對位取代δ9.87—醛基上上氫,低場正確結(jié)構(gòu):

δ3.87CH3峰,向低場位移,與電負性基團相連六、

1HNMR的應(yīng)用1.化合物的結(jié)構(gòu)鑒定兩種無色的,只含C、H的同分異構(gòu)體,由NMR譜鑒定3H9H主要用于有機化合物的結(jié)構(gòu)分析和鑒定。此外,還廣泛用于定量分析、動力學(xué)研究、配合物研究、聚合物研究、反應(yīng)機理的研究、反應(yīng)程度的檢測等方面。3H9H=7.2ppm,(5H),單取代苯;=2.9ppm(1H),七重峰=1.2ppm(6H),雙峰CCH3CH3Hδ=6.8,相對面積表明為一種三取代苯,可能為C6H3–(CH3)3CH3CH3CH32、聚合物的研究-[CH2-CH]m-[CH2-CH]n-COOCH3COOCH2CH2Cl測定共聚比:基于聚合物中特征質(zhì)子的積分高度之比。甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸氯乙酯的聚合物由1HNMR求其共聚比m:n。m:n=h-h13:h12COOCH2δ=4.3

不受干擾,積分高度

h1OCH3

δ=3.6CH2Cl

δ=3.6兩峰重疊,積分高度

h。

cbaCH2CH2CH3dedCH3-CH-CH3dabce2416321045673、定量分析基于NMR譜中每個質(zhì)子峰的面積近似相等。例:求兩種異構(gòu)體相對含量cbaCH2CH2CH3dedCH3-CH-CH3dabce241632104567正丙苯:δCH3

0.72;δCH2

1.35;δCH2

2.30異丙苯:

δCH3

1.0;δCH2.60正丙苯=1-57%=43%根據(jù)δCH2

2.30峰及δCH2.60峰的積分高度,可求出兩個化合物含量。異丙苯=δ2.60峰強度

?×δ2.30峰強度+δ2.60峰強度×100%=×100%=57%16?×24+16

4、相對分子質(zhì)量的測定基于NMR譜中每摩爾質(zhì)子的峰的積分面積近似相等。把一定量(W標)的已知相對分子質(zhì)量(Mr標)的物質(zhì),加到一定量(W樣)的未知樣(Mr樣)中。由1HNMR測定它們互不干擾的特征基團的積分高度h標、h樣。若它們互不干擾的特征基團的質(zhì)子數(shù)為n標、n樣,則:h標

h樣

=W標W樣

×

n標×n樣Mr標Mr樣第四章

核磁共振波譜分析法一、13C核磁共振原理二、13C-NMR的特點三、13C-NMR測定方法四、13C-NMR參數(shù)五、各類碳的化學(xué)位移六、13C-NMR的解析及應(yīng)用第七節(jié)

13C核磁共振一、13C核磁共振原理ν=(γ/2π)B0

γ-13C核的磁旋比γC=

γH/413C的天然豐度1.1%。測定靈敏度很低,約為1H的1/6000測定很困難。為提高信號強度,采用:(1)增大樣品濃度,體積,以增大樣品中13C核的數(shù)目。(2)采用共振技術(shù),利用NOE效應(yīng)增強信號強度。(3)多次掃描累加,是最常用的有效方法。(4)改變儀器測量條件。N-共振核的數(shù)目T-熱力學(xué)溫度

信號強度NB02γ3I(I+1)T1.化學(xué)位移范圍寬1H-NMR常用δ值范圍為0-15ppm13C-NMR常用δ值范圍為0-200ppm(正碳離子達300ppm)其分辨能力遠高于1H-NMR。2.13C-NMR給出不與氫相連的共振吸收峰季碳、C=O、C=C、C=N、C=C等基團中的碳不與氫直接相連,在1H-NMR譜中不能直接觀測,而在13C-NMR譜中均能給出特征吸收峰。3.13C-NMR靈敏度低,偶合復(fù)雜。4.13C和1H化學(xué)位移相差很大,形成的CH

n系統(tǒng)符合n+1規(guī)律,強度比符合二項式展開項系數(shù)比。二、13C-NMR的特點三、13C-NMR測定方法質(zhì)子寬帶去偶譜間鄰對Cx偶合譜間對鄰Cx13C-NMR譜中,1JCH約100-200Hz,偶合譜的譜線交迭,譜圖復(fù)雜。常采用一些特殊的測定方法:1.質(zhì)子寬帶去偶(噪音去偶)在掃描的同時,用一個強的去偶射頻在可使全部質(zhì)子共振的頻率區(qū)進行照射,使得1H對13C的偶合全部去掉。每種碳原子都出一個單峰,互不重疊。2.偏共振去偶采用一個頻率范圍很小,比質(zhì)子寬帶去偶功率弱很多的干擾射頻場(B2),其頻率略高于待測樣品所有氫核的共振吸收位置,而與各種質(zhì)子的共振頻率偏離,使碳原子上質(zhì)子在一定程度上去偶,偶合常數(shù)比原來小。JR

-表觀偶合常數(shù)△ν-干擾照射頻率與質(zhì)子共振頻率的偏差;JCH-原偶合常數(shù);γH.

B2/2π-干擾照射射頻B2的強度;JR=JCH.γH.

B2/2π△ν

△ν

與γH.

B2/2π

的比例可以調(diào)整,

△ν=300Hz,γH.

B2/2π為3000HzJR=1/10JCH

峰的裂分數(shù)目不變,裂距減小偶合譜去偶譜偏共振譜照射頻率逐漸接近共振頻率CH3在13CNMR中干擾照射頻率的變化與譜圖的關(guān)系偏共振去偶,既避免或降低了譜線間的重疊,具有較高的信噪比,又保留了與碳核直接相連的質(zhì)子的偶合信息。根據(jù)(n+1)規(guī)律,在偏共振去偶譜中,13C裂分為n重峰,表明它與(n-1)個質(zhì)子相連。單峰(s)—季碳的共振吸收,雙峰(d)—CH三重峰(t)—CH2四重峰(q)—CH33、質(zhì)子選擇去偶是歸屬碳的吸收峰的重要方法之一。用一個很小功率的射頻以某一特定質(zhì)子的共振頻率進行照射,觀察碳譜。結(jié)果只與被照射質(zhì)子直接相連的碳發(fā)生譜線簡并,且由于NOE效應(yīng),峰的強度增強。連有其它質(zhì)子的碳,只引起偏共振去偶的作用,譜線壓縮而不發(fā)生簡并。CH33421C4C3C2C1δc125130135四、13CNMR參數(shù)δ是13CNMR的重要參數(shù),由碳核所處的化學(xué)環(huán)境決定。νC

=2πγCB0(1-i)δC=ν樣

ν標ν標×106(ppm

)i值越大,屏蔽作用越強,δC位于高場端。以TMS為內(nèi)標物質(zhì)。規(guī)定TMS的13C信號的δC為零,位于其左側(cè)(低場)的δC為正值,右側(cè)(高場)的δC為正值。此外,CS2(δC192.5)和溶劑峰均可作內(nèi)標。δC(TMS)=192.5+δC(CS2)2、影響δC的因素分子間效應(yīng)對δC的影響較小,分子內(nèi)部相互作用很重要。(1)雜化狀態(tài)碳原子的軌道雜化在很大程度上,決定著δC的范圍。雜化效應(yīng)在13C-NMR中和1H-NMR相似。以TMS為基準物。sp3CH3

<

CH2<

CH

<季

C較高場0~50spC=CH中間50~80sp2

-CH=CH2較低場100~150>C=O最低場150~220>C=O:電子躍遷類型為n→π*躍遷,E值較小,δC低場炔碳:sp雜化的碳,由于其多重鍵的貢獻,∑QNB=0,順磁屏蔽降低,較sp2雜化碳處于高場。(2)誘導(dǎo)效應(yīng)與電負性基團相連,使碳核外圍電子云密度降低,δC低場位移。取代基電負性越大,δC低場位移越大。CH3I

CH3Br

CH3Cl

CH3FδC(ppm):-20.720.024.980CH4

CH3Cl

CH2Cl2CHCl3CCl4δC(ppm):-2.624.9527796由于I原子核外圍有豐富的電子,I的引入對與其相連的碳核產(chǎn)生抗磁性屏蔽作用--重原子效應(yīng)。同一碳原子上,I取代數(shù)目越多,屏蔽作用增強。如CI4

-292.5ppm。

誘導(dǎo)效應(yīng)引起的去屏蔽作用和重原子效應(yīng)引起的屏蔽作用的綜合結(jié)果的影響。誘導(dǎo)效應(yīng)是通過成鍵電子沿鍵軸方向傳遞的。(3)空間效應(yīng)δC對分子的構(gòu)型十分敏感。相隔幾個鍵的碳核,相互作用會大大減弱。但空間接近時,彼此會強烈影響。一種短程的非成鍵的相互作用。由空間效應(yīng)引起的位移增量δSt=CFHH(rHH)cosrHH-質(zhì)子之間的距離FHH-質(zhì)子之間的排斥力-H…H軸和被干擾C-H鍵間夾角C-常數(shù)鏈烴和六元環(huán)系化合物中普遍存在γ-位碳高場位移2~7ppm-γ-鄰位交叉效應(yīng)。XγXCγ空間效應(yīng)鏈烴中烷基取代,γ-C的δ值高場位移約2ppm,其它取代基δ值高場位移可達7ppm。構(gòu)象確定的六元環(huán)化合物中,取代基為直立鍵比為平伏鍵時的γ-C的δ值高場位移2~6ppm。32.735.735.630.230.630.6分子中空間位阻的存在,也會導(dǎo)致δ值改變。苯乙酮中乙?;徑屑谆〈?π共軛程度降低,羰基δ值低場位移。COCH3COCH3COCH3δ

c=o195.7199.0205.31,2-二甲基環(huán)己烷(4)共軛效應(yīng)由于共軛引起電子分布不均勻性,導(dǎo)致δ低場或高場位移。CH2=CH2123.3C=CCH3COHHH191.4132.8152.1201CH3COH反式2-丁烯醛苯環(huán)氫被取代基取代后,苯環(huán)上碳原子δC變化規(guī)律:苯氫被—NH,—

OH取代后,鄰位對位碳屏蔽增強;苯氫被—CN,—NO2取代后,鄰位對位碳屏蔽減??;無論取代基是給電子還吸電子基團,對間位碳的δC影響不大。CNabcdNH

2abcdδ

128.5δa147.7δb116.1δc129.8δd119.0δa112.5δb132.0δc129.0δd132.8氫鍵的形成使C=O中碳核電子云密度降低,δC=O低場位移。(5)分子內(nèi)氫鍵OHCHOCHOCOCH3OHCOCH3δC=O192197197204

(6)介質(zhì)位移主要是稀釋位移,溶劑位移和pH位移。同一溶質(zhì)在不同溶劑中測定,δC值常有一定差異,差異較δH大。pH值對胺、羧酸鹽、氨基酸等化合物有影響。3、偶合常數(shù)裂分峰的數(shù)目由偶合核的自旋量子數(shù)和核的數(shù)目決定。

I=1/2自旋核,偶合裂分符合(n+1)規(guī)律。CH3COCH3:CH3被1H裂分為四重峰(1J=125.5Hz)

羰基被裂分為七重峰(2JCCH=5.5Hz)(1)1H與13C的偶合

(a)

1JCH:

與碳直接相連的氫對碳的偶合較強,1JCH120~320Hz。引起1JCH值增大有三種結(jié)構(gòu)因素:

碳原子雜化軌道中s成分增大,1JCH值增大。經(jīng)驗證明1JCH=5×(%s)Hz理論計算1JCH=5.7×(%s)-18.4Hz乙烷、乙烯、乙炔的1JCH分別為125、165、250Hz取代基電負性增大,取代基數(shù)目增多,1JCH值增大。CH4CH3NH2CH3OH

CH3ClCH2Cl2CH

Cl31JCH(Hz)125133141150178209

1JCH與鍵長有線性關(guān)系,可由測得的1JCH值計算C-H鍵長1JCH取代效應(yīng)具有加和性,CHXYZ型分子計算:1JCH=X+Y+ZrC-H=1.1597-4.17×104

.

1JCH誘導(dǎo)效應(yīng)是通過成鍵電子傳遞的,取代基對1JCH的影響隨取代基與碳原子間距離的增加而減小。如單取代苯1JCH

(o)>1JCH

(m)>1JCH

(p)

環(huán)張力增大,1JCH值增大。1JCH可給出環(huán)大小的信息sp3C直鏈烷烴1JCH(Hz)

161136128123125

sp2CCH2=CH21JCH(Hz)

220170160157165雜原子的引入,1JCH值增大,且與雜原子的相對位置有關(guān)。159NH182170S189168O174201N171162163(b)

2JCCH質(zhì)子與鄰位碳的偶合2JCCH在-5~60Hz。與兩個碳原子的雜化軌道及取代基有關(guān),2JCCH值的變化趨勢與1JCH相似。其典型值:C-CHC=CHC-CHOCH-COC=CH2JCCH(Hz)

1~61~1620~255~8~40二氯乙烯順反異構(gòu)體中2JCCH有明顯差別。C=CHHClCl2JCCH=16HzHHClC=CCl2JCCH=0.8Hz(2)13C-13C的偶合在天然豐度的樣品中,兩個13C相遇的幾率極小,13C與13C的偶合可忽略不計。在富集的13C化合物的13CNMR譜中13C-13C的偶合在譜圖中會出現(xiàn)。典型值:sp2CCH2=

CH2CH2=

CHCOOH

CH3COCH367.670.440.1sp3CCH3CH3CH3CH2CN

(CH3)3COH34.633.039.5spCCH

CHCH

C-C6H5171.5175.9六、13C-NMR的解析13C-NMR解析的一般步驟1.充分了解已知的信息,如相對分子量、分子式、元素分析數(shù)據(jù)和其它波譜分析數(shù)據(jù),算出不飽和度。2.檢查譜圖是否合格,找出溶劑峰。3.從13C-NMR質(zhì)子寬帶去偶譜,了解分子中含C的數(shù)目、類型和分子的對稱性。當分子中無對稱因素時,

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