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IQ-UFBA Departamento de Química Orgânica QUI-B37 – Química Orgânica Básica Experimental I-A 2018.1 RELATÓRIO DE ATIVIDADES Título: Reação de nitração da acetanilida Data: 13/07/18 Autora: Caroline de Sousa Farias 1. Introdução 1.1 Objetivos Sintetizar a p-nitroacetanilida por meio de uma reação de nitração da acetanilida; Conhecer a importância biológica dos compostos aromáticos nitrados e arilaminas; Conhecer as condições experimentais para uma reação de nitração; Avaliar as propriedades organolépticas do produto sintetizado; Aplicar a técnica de cromatografia em camada delgada (CCD) com o produto sintetizado; Avaliar a quantidade de resíduos gerados. 1.2 Fundamentação teórica A reação de nitração pode ser definida como o processo de introdução irreversível de um ou mais grupos nitro (-NO2) em uma molécula orgânica, dando origem a nitrocompostos. Este é um processo importante em função do amplo leque de possibilidades na utilização prática de nitrocompostos como intermediário ou produto final. A presença de grupo nitro em intermediários iniciais torna-se possível obter um número significativo de compostos ativos com ação farmacológica, tais como derivados da anilina e a benzidina. Na indústria de corantes orgânicos, compostos com mais de um grupo nitro, como o ácido pícrico e derivados. Diversos compostos nitrados e ésteres de ácido nítrico possuem propriedades explosivas e são importantes na fabricação de explosivos, civil e militar. Alguns nitrocompostos são usados na indústria de perfumaria e também como solventes. Diversos reagentes podem ser empregados em processos de nitração: ácido nítrico concentrado, diluído ou fumegante; nitratos alcalinos em presença de ácido sulfúrico; ácido nítrico com anidrido acético, ácido acético, ácido fosfórico; misturas de ácido nítrico concentrado e ácido sulfúrico concentrado em diferentes proporções e ácido nítrico em solventes orgânicos inertes (clorofórmio, tetracloreto de carbono, éter, etc.). Vale ressaltar que o sistema ácido sulfúrico/ácido nítrico, denominado mistura sulfonítrica (MSN), é o reagente mais comum em nitração. A principal função do ácido sulfúrico é formar um meio fortemente ácido, favorecendo assim a protonação do ácido nítrico e levando a formação do "íon nitrônio" que é o eletrófilo ou agente de nitração (NO2+). Um dos grupos de compostos que se destacam no âmbito das reações de nitração com os compostos aromáticos, participando de reações de substituição eletrofílica. As reações de substituição eletrofílica aromática formam uma classe que está entre as mais amplamente estudadas em toda a química. Estas reações são caracterizadas pela adição de um eletrófilo ao anel aromático, com posterior eliminação de um próton, levando ao produto substituído. No caso da síntese da p-nitroanilina, por exemplo, se utiliza de uma reação de nitração da p- nitroacetanilida. Assim, para sintetizar a p-nitroanilina, costuma-se se valer de três etapas: inicialmente, partindo da anilina, sintetiza-se a acetanilida para, a partir desta se obter a p- nitroacetanilida, e por meio da p-nitroacetanilida obter-se a p-nitroanilina. Isso é utilizado para que seja obtido majoritariamente o produto desejado, a p-nitroanilina, com o grupo nitro sendo adicionado na orientação -para em preferência das posições -meta e -orto. Cabe destacar que, tais prefixos são utilizados para anéis benzênicos com dois grupos ligados a estes, sendo que: orto indica posição 1,2, meta indica posição 1,3 e para indica posição 1,4. (Figura 1): Figura 1: Representação das posições referentes ao anel benzênico substituído Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/reacoes-aromaticos.html Acesso em: 13 Jul. 2018 Assim, partir da anilina diretamente para a obtenção da p-nitroanilina, não se constitui em uma rota reacional vantajosa. Na substituição eletrofílica aromática, que se constitui na reação típica dos compostos aromáticos, os grupos substituintes se classificam em ativantes e desativantes. São ativantes se o anel a que este se liga tiver maior reatividade do que o benzeno, sendo orientadores das posições orto e para, e desativantes se o anel a que este se liga for menos reativo do que o benzeno, sendo orientadores da posição meta. Como na anilina (Figura 2) o grupo diretamente ligado ao anel (–NH2) é um grupo fortemente ativante, na reação em questão haveria como produtos compostos substituídos na posição orto e para, sendo que na posição orto poderia ser até mesmo dissubstituido. Dessa forma, iria haver a produção de outras substâncias e não majoritariamente do produto que se esperaria, a p-nitroanilina. Assim, se valendo das três etapas, o rendimento da reação se torna mais adequada, já que ao adicionar primeiro o grupo acetila, irá haver uma diminuição da reatividade do anel que proporciona uma maior formação da p-nitroanilina. Figura 2: Fórmula estrutural da anilina Disponível em: http://www.merckmillipore.com/BR/pt/product/Aniline,MDA_CHEM-822256 Acesso em: 13 Jul. 2018 Dessa forma, a reação é favorecida para que o ataque ocorra no átomo de carbono do anel aromático com a maior densidade eletrônica; se no composto aromático em questão estiver presente algum substituinte, obtêm-se uma mistura de isômeros, dependendo do substituinte. Predomina-se o isômero cuja posição é favorecida pelo substituinte. No caso da síntese da p- nitroacetanilida a partir da acetanilida, apresenta-se na molécula de acetanilida um grupo substituinte -NHOCH3 que é grupo ativador do anel aromático. Isso porque nesse grupo substituinte o nitrogênio tem um par de elétrons livres. Dessa forma, pode-se inferir que este grupo é orto-para orientador, porém devido à orientação espacial (causadora de efeito estético na posição orto) deste grupo substituinte, a síntese da p-nitroacetanilida é favorecida em relação a síntese da o-nitroacetanilida. 1.3 Reação principal e possíveis reações secundárias Figura 3: Reação de síntese de p-nitroacetanilida partindo da acetanilida Figura 4: Reação de síntese de o-nitroacetanilida partindo da acetanilida (reação secundária) Figura 5: Reação de síntese de nitroacetanilida trissubstituida partindo da acetanilida (reação secundária) 1.4 Mecanismo da reação principal 1.4.1 Formação no eletrófilo 1.4.2 Formação da p-nitroacetanilida 2. Parte experimental 2.1 Resumo do experimento 2.1.1 Preparação da p-nitroacetanilida Em erlenmeyer 250ml colocou -se 5g de acetanilida (sintetizada no experimento anterior), 10 mL de ácido acético glacial e agitar até obter suspensão; Resfriou-se a mistura em banho de água e adicionar, lentamente, com agitação, 12 mL de ácido sulfúrico concentrado (96%), mantendo a temperatura da solução abaixo de 30ºC; Retornou-se o sistema ao repouso no banho de gelo até atingir de 5 -10º C; Com auxílio de um funil de adição, adicionou-se gota a gota 4 mL de ácido nítrico concentrado, mantendo a agitação constante. Observar temperatura, não deixando passar de 25ºC; Terminada a adição do ácido nítrico, removeu-se o erlenmeyer do banho gelo/água e deixou- se a mistura reacional à temperatura ambiente, com agitação, por 30 minutos; Adicionou-se 70mL de água destilada gelada ao erlenmeyer, agitou-se suavemente e observar precipitação da p-nitroacetanilida; Resfriou-se a mistura em banho de água/gelo por 10 minutos e filtrar a vácuo com um funilde Buchner; Lavou-se sólido obtido com água gelada (3 vezes de 50mL); Transferiu-se para um papel de filtro e deixou-se secar à temperatura ambiente por 1 semana; Com o sólido seco, determinou-se o rendimento obtido e o rendimento percentual; 2.1.2 Caracterização do produto Realizou-se CCD e comparou-se com o padrão conhecido. 2.2 Desenho da aparelhagem Figura 6: Esquematização da filtração a vácuo Figura 7: Passo a passo para a corrida cromatográfica com CCD 2.3 Materiais i) Reagentes e soluções Tabela 1: Reagentes e soluções utilizadas na execução do procedimento Soluções e reagentes Quantidade Concentração Acetanilida recristalizada Aprox. 5 g -- Ácido acético glacial 10 mL -- Ácido sulfúrico concentrado 12 mL 96% Ácido nítrico concentrado 4 mL 65% ii) Vidrarias Tabela 2: Vidrarias utilizadas na execução do procedimento Vidrarias Quantidade Capacidade Erlenmeyer 1 250 mL Proveta 5 5 e 10 mL Kitassato 1 -- Funil de Buchner 1 -- Funil de adição 1 -- Bastão de vidro 1 -- Béquer -- -- Tubo de ensaio 1 -- iii) Materiais diversos Tabela 3: Materiais utilizados na execução do procedimento Materiais Quantidade Bagueta 1 Espátula 1 Papel de filtro -- Gelo -- Panela 1 Termômetro 1 iii) Equipamentos utilizados Tabela 4: Equipamentos utilizados na execução do procedimento Equipamentos Quantidade Bomba a vácuo 1 Chapa de aquecimento 1 Aparelho de determinação de ponto de fusão 1 Balança semi-analítica 1 2.4 Tabela de reagentes e produtos Reagentes e Produtos MM (g/mol) Quantidades Proporção mL g mol Teórica Usada Acetanilida 135,17 -- 5,112 0,04 1 1 Ácido nítrico 63,01 4 6,04 0,095 1 2,54 Sub-total (reagentes) - - 11,152 - - - Ácido sulfúrico 98,07 12 22,08 0,22 - - Ácido acético glacial 60,05 10 10,5 0,1748 -- -- Total (reagentes, catalisador, solvente etc.) - - 43,732 - - - p-nitroacetanilida 180,16 - - - 1 - 2.5 Tabela de propriedades físicas Substância MM (g/mol) d g/mL Tf oC Te oC nTD Solubilidade (g/100 mL) H2O EtOH CHCl3 Et2O Acetanilida 135,17 1,22 114,3 304 - Solúvel Solúvel Solúvel Solúvel Ácido acético glacial 60,05 1,05 17 116 1,370 Solúvel Solúvel -- Solúvel Ácido sulfúrico 98,07 1,84 10,38 337 - Solúvel -- -- -- Ácido nítrico 63,01 1,40 -42 83 1,336 Solúvel -- -- -- Água destilada 18,01 1,00 0 100 1,334 -- -- -- -- p-nitroacetanilida 180,16 -- 212 -- -- Solúvel -- -- -- 2.6 Tabela de propriedade toxicológicas Substância Propriedades (riscos à saúde, inflamabilidade, reatividade) Acetanilida Não é irritante para olhos e pele. Ingestão pode produzir desconforto gastrointestinal, náuseas, vômitos e diarréia. Se inalado em grande quantidade de vapor concentrado pode causar irritação na via respiratória. Ácido acético glacial O vapor é irritante para o nariz e a garganta, podendo causar tosse, náusea, vômito ou dificuldade respiratória. Já o líquido é prejudicial se ingerido e poderá queimar olhos e pele Ácido sulfúrico Vapores provocam irritação das mucosas, corrosão dos dentes, dificuldade para respirar, bronquite, edema na laringe e pulmões e perda de sentido. Na pele, soluções diluídas causam dermatites irritativas e soluções concentradas causam alterações e destruição dos tecidos. Ácido nítrico A inalação pode causar queimaduras das mucosas, tosse e dispnéia. Pode provocar edemas nas vias respiratórias. Depois do contato com a pele pode causar queimaduras; Em contato com os olhos pode provocar sérias queimaduras e a ingestão pode causar lesão dos tecidos (boca, esôfago, etc), dor forte, perfuração e até morte. p-nitroacetanilida Pode causar irritação a pele, irritação ocular grave e dar vias respiratórias. 3. Resultados, discussão, observações e conclusões 3.1 Observações Para a síntese da p-nitroacetanilida, primeiramente adicionou-se ácido acético à 5,112 g ( foi utilizada a acetanilida de outro grupo para complementar a massa, pois o rendimento da reação anterior só forneceu 2,5960g) de acetanilida recristalizada e previamente seca. Com isso, obteve-se uma suspensão incolor que em seguida foi posta em repouso em banho de gelo/água (Figura 8). Figura 8: Acetanilida utilizada (1); Sistema formado após a adição de ácido acético durante o banho de gelo (2) Fonte: Autoria própria Após esse processo, adicionou-se ácido sulfúrico concentrado ao sistema obtido. Verificou-se um aumento de temperatura e a formação de uma solução. Vale destacar que essa adição foi feita lentamente, não permitindo que a temperatura ultrapassasse cerca de 30ºC. Logo em seguida, submeteu-se o sistema a um segundo repouso em banho de gelo/água. Quando o sistema atingiu de 5-10ºC, foi adicionado lentamente, com auxílio de um funil de adição, 4 mL de ácido nítrico concentrado. Nesse caso, também foi percebido que a temperatura do sistema aumentou, o que é indicativo de uma reação exotérmica descrita na figura 3. Obteve-se uma solução de coloração amarela, de acordo com a imagem a seguir (Figura 9): Figura 9: Sistema formado após a adição de ácido nítrico durante o banho de gelo Fonte: Autoria própria 1 2 Vale destacar que a adição de ácido nítrico foi realizada gota a gota, tomando-se cuidado para que a temperatura do sistema não ultrapassasse 25ºC. Isso porque a elevação exacerbada de temperatura aumenta o grau de nitração, obtendo-se assim uma maior quantidade de produto nitrado e, consequentemente, produtos secundários. Nas nitrações aromáticas a temperatura tem influência direta sobre a orientação do grupo nitro, principalmente em derivados aromáticos substituídos. Como isso pode levar a formação de isômeros indesejáveis, a adição de ácido nítrico é realizada durante o banho de gelo. Em geral, os produtos secundários como o descrito na figura 5 são formados com temperaturas superiores a 30ºC, já que os produtos trissubstituidos necessitam de uma maior energia de ativação. Quanto mais elevada a temperatura, mais energia é fornecida ao sistema e maior reatividade. Dessa forma, mantendo-se a temperatura abaixo de 25ºC aumenta-se a probabilidade de ocorrer a reação de formação da p-nitroacetanilida em relação aos produtos tri ou até mesmo tetrassubstituidos. Ao fim da adição do ácido nítrico, submeteu-se o sistema reacional a um repouso em temperatura ambiente, sob agitação magnética, percebendo-se a mudança do aspecto do sistema, que passou a apresentar coloração amarela (Figura 10). Isso também é indicativo da ocorrência da reação descrita na Figura 3, com o mecanismo especificado no irem 1.4.2. Manteve- se o sistema sob agitação durante 30 minutos. Figura 10: Sistema reacional formado após o início da agitação magnética Fonte: Autoria própria Nessa reação, o eletrófilo é o íon nitrônio, formado da protonação realizada pelo ácido sulfúrico no ácido nítrico, liberando moléculas de água. O íon nitrônio é um eletrófilo muito forte sendo então capaz ser atacado pelo par de elétron presente no anel aromático da acetanilida. Na molécula de acetanilida há a presença do grupo substituinte NHOCH3 que é grupo ativador frente ao anel aromático, uma vez que o nitrogênio possui um par de elétrons livres que podem ser doados. O fato de o grupo ser ativante indica que, apesar de uma reduzida doação de elétrons ao anel, de modo geral, ele doa elétrons por ressonância mais fortementedo que retira elétrons indutivamente. Logo, este grupo faz com que o anel reaja mais rapidamente que o benzeno e também faz com que a localização da substituição aromática eletrofílica seja orto e/ou para. Quando observado em questões probabilísticas, espera-se que em uma reação de substituição eletrofílica, a substituição ocorra mais de forma orientada em orto do que em para, pois há duas maneiras diferentes para a posição em orto, pela esquerda ou pela direita. No entanto nas posições orto há um impedimento estérico, enquanto que na posição para não há esse fato. Desta forma o produto de isomeria para é formado com maior quantidade, sendo o grupo adicionada na acetilação anterior um grupo protetor. Em seguida, adicionou-se 70 mL de água destilada gelada sob agitação, observando-se a imediata precipitação de um sólido levemente amarelo de aspecto pastoso (Figura 11). Como o solvente da reação se trata do ácido acético, fez-se necessário a adição de água gelada para que desta forma, houvesse a precipitação do sólido, já que o produto sintetizado é pouco solúvel em água. Figura 11: Sistema reacional antes da adição de água destilada gelada (1); sistema reacional durante a adição de água destilada gelada (2); sistema reacional após a adição de água destilada gelada (3) Fonte: Autoria própria Esse sistema foi deixado em banho de água e gelo por mais 10 minutos e depois foi realizado uma filtração à vácuo, podendo-se recolher um sólido amarelo após sucessivas lavagens do sólido com o filtrado (Figura 12). Figura 12: Sólido recolhido após filtração a vácuo Fonte: Autoria própria Após secagem do sólido durante uma semana (Figura 13), realizou-se a pesagem do mesmo com o auxílio de uma balança semi-analítica. Obteve-se uma massa de 7,603g (Figura 14), valor utilizado para posterior cálculo de rendimento. Vale ressaltar que neste caso não foi realizado o processo de recristalização. Isso porque o processo de hidrólise que foi realizado na etapa seguinte possui o mesmo efeito que a recristalização. Contudo, a hidrólise é um processo mais 1 2 3 eficiente, pois nessa só ocorrerá uma perda mecânica, enquanto que com a recristalização haveria duas perdas mecânicas. Figura 13: Sólido após a secagem Fonte: Autoria própria Figura 14: Massa do sólido sintetizado Fonte: Autoria própria Realizou-se também a cromatografia em camada delgada do sólido sintetizado. Sabe-se que essa técnica é adequada para se identificar e avaliar a pureza de uma amostra, logo com esse processo pode-se caracterizar o composto sintetizado. Foi utilizado uma fase móvel composta de 5% de metanol para 95% de clorofórmio, utilizando-se essa mesma solução para solubilizar uma porção da amostra num tubo de ensaio (Figura 15). Contudo, para a total dissolução do sólido sintetizado foi necessário um adicionar algumas gotas de metanol. Ao aplicar na placa cromatográfica de sílica, foi obtido o seguinte resultado ao ser observado no ultravioleta (Figura 16): Figura 15: Sólido sintetizado solubilizado em solução de clorofórmio: etanol Fonte: Autoria própria Figura 16: Placa cromatográfica durante a eluição da fase móvel (1); Manchas observadas durante observação no ultravioleta (2) Fonte: Autoria própria Nesse caso pode-se observar que no local de aplicação do padrão de p-nitroacetanilida, só foi presente uma mancha, que não se eluiu na placa cromatográfica. Com isso, pode-se inferir que com esse sistema de solventes, a p-nitroacetanilida não elui. Já no local de aplicação da solução do sólido sintetizado, pode-se perceber a formação de 2 manchas. Isso pode ser explicado pelo fato de esse solido não ter passado por uma etapa de recristalização, assim, nesse havia uma quantidade significativa de produtos secundários. Logo, a mancha que se apresentou na aplicação do sólido corresponde a p-nitroacetanilida, já que teve comportamento semelhante a mancha da aplicação do padrão de p-nitroacetanilida; e a mancha que foi arrastada pela fase móvel corresponde a porção de produto secundário. Assim, pode-se inferir que o sólido sintetizado é composto pela p-nitroacetanilida e que nele também se apresenta um produto secundário. 3.2 Avaliação da eficiência da reação ou processo i) Rendimento Teórico (RT); Com base na tabela 2.4, pode-se inferir que o reagente em excesso da reação se trata do ácido nítrico e o reagente limite trata-se da acetanilida. Como a proporção da acetanilida e da p-nitroacetanilida é de 1:1, pode-se inferir que: Acetanilida -------- p-nitroacetanilida 135,17g/mol ------------------- 180,16 g/mol 5,116 g -----------------x X= 6,81 g de acetanilida Logo o rendimento teórico (100%) seria de 6,81g ii) Rendimento Indicado (RI); O rendimento indicado é 4,5g iii) Rendimento Obtido (RO); O rendimento obtido foi de 7,603 g 1 2 Aplicação do padrão de p-nitroacetanilida Aplicação da solução do sólido sintetizado iv) Rendimento percentual (R%); Tendo em vista que o rendimento teórico é de 6,81 g, pode-calcular: 6,81 g -------- 100% 7,603 g ----------- x X = 111,64 % Esse rendimento acima de 100% pode ser indicativo da presença de umidade no sólido. v) Economia de átomos (EA%); EA% = 180,16 135,17+63,01 x 100 EA% = 90,91 % Assim, essa reação possui uma economia de átomos de aproximadamente 90%. Como este é um parâmetro teórico, que não leva em consideração o rendimento da reação ou outras impurezas do meio, é necessário a obtenção do valor do fator E para uma avaliação mais adequada. vi) Fator ambiental E (Fator E). Assim, como a água não é contabilizada e esta é o subproduto da reação, tem-se que o fator E da reação (baseada na tabela 2.4): Fator E = 43,732/7,603= 5,7519 Fator E = aproximadamente 5,75 3.3 Conclusões Com base nos resultados obtidos pode-se concluir que foi possível sintetizar a p- nitroacetanilida a partir da acetanilida se utilizando de uma reação de nitração. Foi possível perceber também que nessa reação a temperatura é um fator crítico, sendo necessário manter uma temperatura abaixo de 25ºC para haver o favorecimento da reação de formação da p- nitroanilina. Além disso, pode-se observar que a presença do grupo protetor é essencial para que a posição –para na substituição eletrofílica aromática da acetanilida seja favorecida. A p-nitroacetanilida é usada para a produção da p -nitroanilina, onde esta, por sua vez, é usada como um intermediário na síntese de corantes, agentes antissépticos, oxidantes, fármacos (em veterinária, em medicamentos para aves domésticas), em gasolina (com o um inibidor da formação de gomas) e como um inibidor de corrosão. Com a aplicação da cromatografia comparativa foi possível perceber que o sólido sintetizado era composto do produto de interesse, sendo esse método eficaz apara determinar a identidade do sólido. Além disso por meio da cromatografia foi possível perceber que no sólido haviam impurezas. Em relação ao rendimento encontrado, pode-se concluir que o valor de 111,64% é incoerente pois ultrapassa o valor de 100%. Esse valor pode ser proveniente da presença de certo grau de umidade no sólido, uma vez que este se apresentou na forma de flocos grandes aparentemente indicando umidade. Em relação a economia atômica, pode-se inferir que 90% dos reagentes foram incorporados ao produto da reação, o que obedece aos critérios da química verde, os quais visam a obtenção de um produto desejado com o máximode conversão. Já sobre o fator E, pode-se perceber que a reação possui uma quantidade razoável de rejeitos gerados, uma vez que o parâmetro de 5,75 não é próximo de 0 (valor ideal), causando um pequeno efeito do ponto de vista ambiental. 4. Bibliografia BARCZA, M. V., Processos Unitários Orgânicos – Nitração. Universidade de São Paulo. Escola de Engenharia de Lorena, 2014. Disponível em: <http://www.dequi.eel.usp.br/~barcza/Nitracao.pdf>. Acesso em: 13 jul. 2018 BRUICE, Paula Yurkanis. Química Orgânica. 4.ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2006. CARDOSO, Sheila Pressentin. CARNEIRO, José Walkimar. Nitração aromática: substituição eletrofílica ou reação com transferência de elétrons? Quimica Nova, Vol. 24, 2001. Disponível em: <http://www.sbq.org.br/publicacoes/quimicanova/qnol/2001/vol24n3/14.pdf>. Acesso em: 13 jul. 2018 Ficha de segurança (FISPQ), Quimidrol. Água Destilada. Disponível em: <http://www.quimidrol.com.br/media/blfa_files/Agua_Destilada_7.pdf>. Acesso em: 02 Maio. 2018 Ficha de segurança (FISPQ), Merck Millipore. Anilina. Disponível em: <http://www.merckmillipore.com/BR/pt/product/Aniline,MDA_CHEM-822256>. Acesso em: 13 jul. 2018 Ficha de segurança (FISPQ), Merck Millipore. P-nitroacetanilida. Disponível em: < http://www.merckmillipore.com/BR/pt/product/4-Nitroacetanilide,MDA_CHEM- 820880#anchor_orderingcomp>. Acesso em: 13 jul. 2018 Ficha de segurança (FISPQ), Quimidrol, Ácido Sulfúrico, 2007. Disponível em: < http://www.tterra.com.br/projetos/quimica_credie/produtos/solventes/Tolueno.pdf>. Acesso em: 26 Mai. 2018 Ficha de segurança (FISPQ), FCA UNICAMP. Ácido nítrico. Disponível em: < https://www.fca.unicamp.br/portal/images/Documentos/FISPQs/FISPQ- %20Acido%20Nitrico.pdf>. Acesso em: 14 jul. 2018
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