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文檔簡介
核磁共振波譜法詳細(xì)解析2.核磁共振波譜:以核磁共振信號強(qiáng)度對照射頻率(磁場強(qiáng)度)作圖,所得圖譜。3.核磁共振波譜法:利用核磁共振波譜對物質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)測定、定性和定量分析的方法。?概述2核磁共振波譜法詳細(xì)解析
UV-Vis200-760nm紫外可見光價電子躍遷
IR
2.5-25μm紅外線振動-轉(zhuǎn)動能級躍遷
NMR
0.6-30m無線電波原子核自旋能級躍遷?概述二、NMR與UV、IR的區(qū)別1.照射的電磁輻射頻率不同,引起的躍遷類型不同3核磁共振波譜法詳細(xì)解析UV、IR--測定A(T)NMR
--共振吸收法共振吸收法:利用原子核在磁場中,核自旋能級躍遷時核磁矩方向改變產(chǎn)生感應(yīng)電流來得到NMR信號。2.測定方法不同:4核磁共振波譜法詳細(xì)解析三、核磁共振波譜法的應(yīng)用1.測定有機(jī)物結(jié)構(gòu):化學(xué)及立體結(jié)構(gòu)(構(gòu)型、構(gòu)像、互變異構(gòu))2.醫(yī)學(xué):核磁共振成像技術(shù)(醫(yī)療診斷)3.生化:生物大分子、酶結(jié)構(gòu)測定?概述5核磁共振波譜法詳細(xì)解析⑴質(zhì)子類型(-CH3,-CH2,=CH,Ar-H)和所處的化學(xué)環(huán)境;⑵H分布情況;⑶核間的關(guān)系。缺點:不含H基團(tuán)無NMR信號,化學(xué)環(huán)境相近的烷烴,難區(qū)別四、1H-NMR和13C-NMR給出的結(jié)構(gòu)信息1H-NMR:13C-NMR:豐富的C骨架信息6核磁共振波譜法詳細(xì)解析第一節(jié)基本原理1.自旋分類一、原子核的自旋
原子核:質(zhì)子和中子組成的帶正電荷的粒子。原子核自旋運動與自旋量子數(shù)I有關(guān)。I與原子核的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)(原子序數(shù))有關(guān)。7核磁共振波譜法詳細(xì)解析第一節(jié)基本原理
1.自旋分類
自旋量子數(shù)I①偶數(shù)偶數(shù)I=0②奇數(shù)奇偶數(shù)I為半整數(shù),1/2,3/2…③偶數(shù)奇數(shù)I為整數(shù),I=1,2,3,…
*I=1/2的核質(zhì)量數(shù)電荷數(shù)自旋量子數(shù)
如:,,如:,
8核磁共振波譜法詳細(xì)解析
I0核,自旋產(chǎn)生核磁矩,核磁矩的方向服從右手法則,其大小與自旋角動量成正比。原子核有自旋現(xiàn)象,因而有自旋角動量:2.核磁矩()
9核磁共振波譜法詳細(xì)解析磁矩方向:右手螺旋法則
為磁旋比,是原子核的特征常數(shù)。2.核磁矩()10核磁共振波譜法詳細(xì)解析(一)核自旋能級分裂在無外加磁場時,自旋核磁矩的取向是任意的;若將原子核置于磁場中,核磁矩可有不同的排列,共有2I+1個取向;每一種取向用磁量子數(shù)m表示,則m=I,I-1,I-2,…,-I+1,-I。二、原子核的自旋能級和共振吸收11核磁共振波譜法詳細(xì)解析氫核磁矩的取向順磁場低能量
逆磁場高能量例:I=1/2時,即:12核磁共振波譜法詳細(xì)解析例:I=1時,I=1氫核磁矩的取向個取向,
m=1,0,-1即:13核磁共振波譜法詳細(xì)解析核磁矩在外磁場空間的取向不是任意的,是量子化的,這種現(xiàn)象稱為空間量子化。用μZ表示不同取向核磁矩在外磁場方向的投影。核磁矩的能量與μz和外磁場強(qiáng)度H0有關(guān):14核磁共振波譜法詳細(xì)解析在外加磁場中,自旋核發(fā)能級分裂,能級差和H0成正比0H0H0=0m=-1/2m=1/2E(一)核自旋能級分裂不同取向的核具有不同的能級,I=1/2:m=1/2的μz順磁場,能量低;
m=-1/2的μz
逆磁場,能量高。15核磁共振波譜法詳細(xì)解析(二)原子核的共振吸收θz0自旋軸回旋軸原子核的進(jìn)動陀螺的進(jìn)動原子核1.進(jìn)動
①外加磁場H0↑,
↑②↑,↑16核磁共振波譜法詳細(xì)解析共振吸收與弛豫17核磁共振波譜法詳細(xì)解析②m=1,躍遷只能發(fā)生在兩個相鄰能級間m=+1m=-1(低能態(tài))(高能態(tài))18核磁共振波譜法詳細(xì)解析三、自旋馳豫馳豫歷程:激發(fā)核通過非輻射途徑損失能量而恢復(fù)至基態(tài)的過程,是維持連續(xù)NMR信號必不可少的過程。例:I=1/2核,T=300K,H0=1.4092T:Boltzmann分布:19核磁共振波譜法詳細(xì)解析低能態(tài)核數(shù)n+僅比高能態(tài)核數(shù)n-多十萬分之一當(dāng)n-=n+時,NMR信號消失——飽和
外磁場H0↑/溫度↓,n-/n+↓,對測定有利自旋-晶格馳豫:處于高能態(tài)的核自旋體系將能量傳遞給周圍環(huán)境(晶格或溶劑),自己回到低能態(tài)的過程自旋-自旋馳豫:處于高能態(tài)的核自旋體系將能量傳遞給鄰近低能態(tài)同類磁性核的過程三、自旋馳豫20核磁共振波譜法詳細(xì)解析*2.共振吸收條件ν0=ν
即照射的無線電波的頻率必須等于核進(jìn)動頻率,才能發(fā)生核自旋能級躍遷。例:氫(1H)核:H0=1.4092T,ν=60MHz,吸收ν0=60MHz無線電波,核磁矩由順磁場(m=1/2)躍遷至逆磁場(m=-1/2)→共振吸收。實現(xiàn)核磁共振就是改變照射頻率或磁場強(qiáng)度。21核磁共振波譜法詳細(xì)解析第三節(jié)化學(xué)位移一、屏蔽效應(yīng)
H0=1.4092T,ν=60MHz實驗發(fā)現(xiàn):由于H核周圍的化學(xué)環(huán)境不同,H核發(fā)生共振吸收時,共振頻率微小的差異。
NMR通過微小的差異——化學(xué)位移不同,推測H周圍的化學(xué)環(huán)境H0一定時照射0=所有H核吸收相同頻率的光波無意義?22核磁共振波譜法詳細(xì)解析H0感應(yīng)磁場方向核繞核電子在外加磁場的誘導(dǎo)下產(chǎn)生與外加磁場方向相反的感應(yīng)磁場(次級磁場、抗磁場)屏蔽效應(yīng):由于感應(yīng)磁場的存在,使原子核實受磁場強(qiáng)度稍有降低一、屏蔽效應(yīng)23核磁共振波譜法詳細(xì)解析
H=(1-σ)H0
σ—屏蔽常數(shù),σ與被研究核的核外電子云密度有關(guān)電子云密度↑,σ↑,屏蔽效應(yīng)↑①掃頻(H0一定):σ↑
的核,↓,低頻端(右端)②掃場(一定):σ↑的核,需H0較大才能共振,共振峰出現(xiàn)在高場(右端)一、屏蔽效應(yīng)24核磁共振波譜法詳細(xì)解析(高頻)(低頻)左端為低場高頻,右端為高場低頻(低場)(高場)109.08.07.06.05.04.03.02.01.00ppm(δ)C6H560000438Hz例:C6H5CH2CH3CH260000216HzCH360000126Hz
TMS60MHzH0=1.4092Tν0固定25核磁共振波譜法詳細(xì)解析
1.定義:由于屏蔽效應(yīng)的存在,不同化學(xué)環(huán)境H核共振頻率不同2.表示方法采用相對值的原因:絕對值不易測得;對于同一核,H0不同時,ν不同,不便于比較,采用相對值δ與H0無關(guān)。二、化學(xué)位移26核磁共振波譜法詳細(xì)解析例:CH3Br,標(biāo)準(zhǔn)物:四甲基硅烷TMS①H0=1.4092T,νCH3=60MHz+162Hz,
νTMS=60MHz二、化學(xué)位移27核磁共振波譜法詳細(xì)解析②H0=2.3487T,νCH3=100MHz+270Hz,
νTMS=100MHz橫座標(biāo)用δ表示,TMS的δ=0(最右端),向左增大二、化學(xué)位移28核磁共振波譜法詳細(xì)解析3.常用標(biāo)準(zhǔn)物:TMS——(CH3)4Si①12個H化學(xué)環(huán)境相同,單峰②最大(屏蔽大,δ=0),出現(xiàn)在最低頻端③不與其他化合物發(fā)生反應(yīng)④易溶于有機(jī)溶劑,沸點低4.H譜常用溶劑:D2O,CDCl3二、化學(xué)位移29核磁共振波譜法詳細(xì)解析內(nèi)部因素(分子結(jié)構(gòu)因素):局部屏蔽效應(yīng)、磁各向異性效應(yīng)和雜化效應(yīng)等外部因素:分子間氫鍵和溶劑效應(yīng)等。三、化學(xué)位移的影響因素30核磁共振波譜法詳細(xì)解析電負(fù)性↑,吸電子能力↑,H核電子云密度↓,↓(去磁屏蔽效應(yīng)),δ↑
三、化學(xué)位移的影響因素
1.局部屏蔽效應(yīng):氫核核外成鍵電子云產(chǎn)生的抗磁屏蔽效應(yīng)(相鄰基團(tuán)的電負(fù)性影響)。CH3XCH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3ICH4(CH3)4SiX電負(fù)性δF4.04.26O3.53.40Cl3.13.05Br2.82.68I2.52.16H2.10.23Si1.8031核磁共振波譜法詳細(xì)解析正屏蔽區(qū)(+):次級磁場磁力線與外加磁場方向相反,實受H降低,屏蔽效應(yīng)↑,δ↓,右移。峰右移峰左移++苯環(huán)
π電子誘導(dǎo)環(huán)流次級磁場HσH0σH0H0H負(fù)/去屏蔽區(qū)(-):次級磁場磁力線與外加磁場方向相同,實受H增強(qiáng),屏蔽效應(yīng)↓,
δ↑,左移。2.磁各向異性:π鍵產(chǎn)生的感應(yīng)磁場,其強(qiáng)度及正負(fù)具有方向性,分子中H所處的空間位置不同,屏蔽作用不同的現(xiàn)象
32核磁共振波譜法詳細(xì)解析C=O++雙鍵上下方形成正屏蔽區(qū),平面上產(chǎn)生負(fù)屏蔽區(qū)。醛H、低場(乙醛δ=9.69)烯H:去屏蔽效應(yīng)δ=5.252)雙鍵(C=O及C=C)H033核磁共振波譜法詳細(xì)解析3)叁鍵(C≡C
)H-CC-RH0++鍵軸方向上下:正屏蔽區(qū)與鍵軸垂直方向:負(fù)屏蔽區(qū)乙炔氫δ=2.88→正屏蔽區(qū)乙烯氫δ=5.25→負(fù)屏蔽區(qū)34核磁共振波譜法詳細(xì)解析3)芳環(huán)體系35核磁共振波譜法詳細(xì)解析酸類R-COOH10~12酚類ArOH4~7酰胺RCONH25~8醇、伯胺0.5~5變動的化學(xué)位移3.H鍵影響:核外電子云密度↓,δ↑-OH在無H鍵時δ0.5~1濃溶液,H鍵時δ4~5氫鍵形成與溫度、濃度及溶劑極性有關(guān)36核磁共振波譜法詳細(xì)解析四、幾類質(zhì)子的化學(xué)位移37核磁共振波譜法詳細(xì)解析①芳?xì)?~8>烯氫5~6>炔烴2~3>烷烴0~1②
次甲基1.55;亞甲基1.20;甲基0.87③-COOH11~12>-RCHO9~10>ArOH4~5>ROH0.5~5
RNH2
0.5~5
四、幾類質(zhì)子的化學(xué)位移38核磁共振波譜法詳細(xì)解析
-OCH33.3~4.0;-OCH2-4.0~4.3;-CO-CH31.9~2.6;-CO-CH22.0~2.4;
-CO-CH2-CO
3.6ArCH32.3~2.5;ArCH22.5~3.1;39核磁共振波譜法詳細(xì)解析第四節(jié)偶合常數(shù)乙苯NMR譜
8.07.06.05.04.03.02.01.00δ(ppm)TMS-CH3-CH2-523c一、自旋偶合與自旋分裂屏蔽效應(yīng)對NMR的峰位有重要影響各核的核磁矩間的相互作用將影響峰形40核磁共振波譜法詳細(xì)解析1.自旋—自旋偶合:
核自旋產(chǎn)生的核磁矩間的相互干擾2.自旋—自旋分裂:
由自旋偶合引起的共振峰裂分的現(xiàn)象偶合是分裂的原因,分裂是偶合的結(jié)果。一、自旋偶合和自旋分裂41核磁共振波譜法詳細(xì)解析
3.自旋分裂的產(chǎn)生X≠Y無
HB存在,HA共振峰為單峰。有
HB存在,HB核磁距空間有兩種取向,一種是順磁場,一種是逆磁場,所以
HB對
HA構(gòu)成了不同的局部磁場而產(chǎn)生
2種干擾。42核磁共振波譜法詳細(xì)解析X型分子HB的核磁矩與外磁場H0方向相同,使HA實受磁場強(qiáng)度↑——去屏蔽效應(yīng),ν↑,δ↑,峰左移。43核磁共振波譜法詳細(xì)解析Y型分子
HB的核磁矩與外磁場H0方向相反,使HA實受磁場強(qiáng)度↓——屏蔽效應(yīng)↑,ν↓,δ↓,峰右移。44核磁共振波譜法詳細(xì)解析在溶液中X型與Y型分子數(shù)目幾乎相等,外磁場的作用幾率相同,因此峰裂分的強(qiáng)度相同。同理,HB受HA的干擾,而使HB裂分為兩個高度相等的峰。δXδYδA偶合δAδBJABJAB自旋分裂
3.自旋分裂的產(chǎn)生45核磁共振波譜法詳細(xì)解析碘乙烷-CH3受-CH2-2個H的干擾裂分為三重峰:簡單偶合時,峰裂距稱為偶合常數(shù)(J),Jab表示a與b核偶合常數(shù)。分裂二次形成三重峰,峰高(強(qiáng)度)比為1:2:13重峰(1:2:1)
峰分裂圖
46核磁共振波譜法詳細(xì)解析峰高比1:3:3:1碘乙烷中-CH2四重峰分裂機(jī)制:47核磁共振波譜法詳細(xì)解析在H-H偶合中,峰分裂是由于鄰近C原子上H核磁矩存在,輕微改變了被偶合核的屏蔽效應(yīng),發(fā)生了峰裂分。核間偶合作用通過成鍵電子傳遞。并非所有的原子核對相鄰氫核都有自旋偶合干擾作用。(35Cl、79Br、127I等)峰分裂的原因:48核磁共振波譜法詳細(xì)解析
4.自旋分裂的規(guī)律:n+1規(guī)律某基團(tuán)的氫與n
個相鄰氫偶合時,將被分裂為n+1重峰,而與該基團(tuán)本身的氫數(shù)無關(guān)。此規(guī)律稱為n+1律。按n+1律分裂的圖譜為一級圖譜,服從
n+1律的一級圖譜多重峰峰高比為二項式展開式的系數(shù)比。49核磁共振波譜法詳細(xì)解析Pascal三角形
4.自旋分裂的規(guī)律:n+1規(guī)律50核磁共振波譜法詳細(xì)解析4重峰
3重峰1:3:3:11:2:1多重峰的位置以為中心左右對稱且各裂分峰間距相等
4.自旋分裂的規(guī)律:n+1規(guī)律51核磁共振波譜法詳細(xì)解析
eg:CH2DI一氘碘甲烷HI=1/2DI=1氘峰
氫峰
1:2:1221/2+1
1:1:1211+1若I1/2時,峰裂分規(guī)律為:2nI+1——廣義n+1律n+1律只適用于I=1/2,簡單偶合及J相等的情況52核磁共振波譜法詳細(xì)解析①核間弱偶合,且偶合常數(shù)相等,峰裂分?jǐn)?shù)為(n+n′+…)+1重峰。(服從n+1)
Jac=Jbc(3+2)+1=6重峰若某基團(tuán)H與n、n’個H相鄰,發(fā)生簡單偶合:(1:5:10:10:5:1)53核磁共振波譜法詳細(xì)解析②核間弱偶合,偶合常數(shù)不等,峰裂分?jǐn)?shù)為(n+1)(n’+1)…個子峰JabJbcJac,每個氫得雙二重峰1:1:1:1
雙二重峰不是一般的四重峰(1:3:3:1)
醋酸乙烯酯54核磁共振波譜法詳細(xì)解析醋酸乙烯酯三個氫的自旋分裂圖55核磁共振波譜法詳細(xì)解析1.定義:核間發(fā)生偶合,峰裂分的距離。J的大小反應(yīng)偶合核間偶合的強(qiáng)弱,與外加磁場場強(qiáng)大小無關(guān)。二、偶合常數(shù)(J)表示方法:
n表示偶合核間鍵數(shù)
S表示結(jié)構(gòu)關(guān)系(順/反式,鄰/間/對)
C表示互相偶合核56核磁共振波譜法詳細(xì)解析①偕偶(2J):同碳偶合H-C-H烷烴:不裂分-單峰,烯烴2J=0~5Hz②鄰偶(3J):H-C-C-H偶合為鄰偶
3J=6~8Hz(1)偶合核相隔鍵數(shù)鍵數(shù)↑,|J|↓2.影響偶合常數(shù)的因素57核磁共振波譜法詳細(xì)解析③遠(yuǎn)程偶合:相隔四個或四個以上鍵的偶合,J很小Jm=1~4HzJp=0~2Hz2.影響偶合常數(shù)的因素苯環(huán)58核磁共振波譜法詳細(xì)解析第五節(jié)核磁共振氫譜的解析一、峰面積和氫核數(shù)目的關(guān)系在1H-NMR譜上,各吸收峰覆蓋的面積與引起該吸收的氫核數(shù)目成正比。峰面積常以積分曲線高度表示。每一相鄰水平臺階高度則取決于引起該吸收的氫核數(shù)目。59核磁共振波譜法詳細(xì)解析二、核磁共振氫譜的解析方法(一)送樣要求①純度>98%②樣品量:幾毫克(二)解析順序①計算不飽和度②根據(jù)積分高度計算H分布
60核磁共振波譜法詳細(xì)解析例1:分子式C4H7BrO2;(三)解析示例
a1.78(d),b2.95(d)
c4.43(sex)及
d10.70(s),測量各峰的積分高度,a為1.6cm,b為1.0cm,c為0.5cm,d為0.6cm,Jac=6.8Hz,Jbc=6.7Hz61核磁共振波譜法詳細(xì)解析
a峰H數(shù)=[2.0/(1.6+1+0.5+0.6)]7=3Hb峰H數(shù)2Hc峰H數(shù)1Hd峰H數(shù)1H
根據(jù)δd=10.7(s)認(rèn)定為:-COOH峰
a為1.6/0.63Hb為1.0/0.62Hc為1H解:1.U=(2+2×4-8)/2=1(含一個雙鍵)2.氫分布a:b:c:d=1.6:1:0.5:0.662核磁共振波譜法詳細(xì)解析
d=10.7,1H,單峰,-COOH
a=1.78,3H,雙峰,-CH-CH3
b=2.95,2H,雙峰,-CH2-CH
c4.43:1H,六重峰(1:5:10:10:5:1),說明與5個H相鄰,又∵Jac≈JbcA2MX3自旋系統(tǒng)
3.峰歸屬:63核磁共振波譜法詳細(xì)解析
4.該化合物結(jié)構(gòu)為Ⅱ或(Ⅰ)(Ⅱ)64核磁共振波譜法詳細(xì)解析
a:1.22(d),
b:2.80(sep),
c:3.44(s),d:6.60(m,多重峰)及
e:7.03(m)abcde
8.06.04.02.00ppm(δ)例2:分子式C9H13N65核磁共振波譜法詳細(xì)解析可能有苯環(huán)
2.氫分布
a:6H(1.8cm)b:1H(0.3cm)c:2H(0.6cm)d:2H(0.6cm)e:2H(0.6cm)解:66核磁共振波譜法詳細(xì)解析
3.推斷
a=1.22,二重峰(6個H)可能為
b=2.80,七重峰(1個H)可能為67核磁共振波譜法詳細(xì)解析
c=2.80,(2H)單峰
C9H13NC6H4--)C3H7H2N
C峰為NH2峰d=6.60,2H
e=7.03,2H可能為對雙取代苯(AA’BB’)68核磁共振波譜法詳細(xì)解析4.可能結(jié)構(gòu)為:
5.核對:①不飽和度吻合②查對Sadtler標(biāo)準(zhǔn)圖譜NMR波譜,證明結(jié)論合理。69核磁共振波譜法詳細(xì)解析*本章重點
飽和與馳豫屏蔽效應(yīng)磁各項異性效應(yīng)化學(xué)位移 化學(xué)等價核磁等價核偶合常數(shù)自旋偶合與自旋分裂1.名詞解釋70核磁共振波譜法詳細(xì)解析3.Larmor方程,進(jìn)動4.自旋系統(tǒng)命名5.n+1律6.NMR吸收條件7.1H-NMR光譜解析71核磁共振波譜法詳細(xì)解析Thankyou!72核磁共振波譜法詳細(xì)解析例:一化合物的摩爾質(zhì)量為122,分子式為C8H10O。試根據(jù)核磁共振譜圖推測其結(jié)構(gòu)。73核磁共振波譜法詳細(xì)解析解析:
(1)計算不飽和度:
(2)推測結(jié)構(gòu)式δ
分裂峰質(zhì)子數(shù)可能基團(tuán)相鄰基團(tuán)1.2三重峰
3CH3CH2
3.9四重峰
2CH2CH36.5~7.2多重峰
574核磁共振波譜法詳細(xì)解析可能結(jié)構(gòu)式為:75核磁共振波譜法詳細(xì)解析
a:1.31,6H,(t),-CH2CH3;
b:4.19,4H,(q),-O-CH2CH3;②氫分布a:b:c=3:2:1總氫數(shù)為12H,則為6H:4H:2H→對稱結(jié)構(gòu)③峰歸屬:
c:6.71,2H,(s),烯氫,因為是單峰,說明二個氫的化學(xué)環(huán)境完全相同(δ烯H5.28,6.71說明—X)
77核磁共振波譜法詳細(xì)解析說明含兩個-COO-基團(tuán)⑤聯(lián)連方式
(C2H52+)=C2O4C8H12O4-或78核磁共振波譜法詳細(xì)解析⑥結(jié)論:有二種可能結(jié)構(gòu)順式(Ⅰ)反式(Ⅱ)經(jīng)查對Sadtler光譜,證明未知物為:反式丁烯二酸二乙酯79核磁共振波譜法詳細(xì)解析
屏蔽效應(yīng)、磁各向異性效應(yīng)、馳豫歷程、自旋偶合、自旋分裂、化學(xué)位移、偶合常數(shù)、化學(xué)等價核、磁等價核本章小結(jié)(1)共振吸收條件①ν0=ν②Δm=±1(2)影響化學(xué)位移的因素(3)自旋分裂:一級圖譜的裂分規(guī)律2.基本理論3.光譜解析1.基本概念80核磁共振波譜法詳細(xì)解析復(fù)習(xí)一、核磁共振(NMR)
?概述二、NMR與UV、IR的區(qū)別1.照射的電磁輻射頻率不同,引起的躍遷類型不同2.測定方法不同⑴質(zhì)子類型和所處的化學(xué)環(huán)境;⑵H分布情況;⑶核間的關(guān)系。三、1H-NMR給出的結(jié)構(gòu)信息81核磁共振波譜法詳細(xì)解析復(fù)習(xí)第一節(jié)基本原理一、原子核的自旋
1.自旋分類——自旋量子數(shù)I
2.核磁矩:I0核,自旋產(chǎn)生核磁矩3.自旋核在磁場中的行為——空間量子化4.核自旋能級分裂I=1/2核:82核磁共振波譜法詳細(xì)解析復(fù)習(xí)二、原子核的共振吸收1.進(jìn)動*2.共振吸收條件ν0=ν
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