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Compostos de Coordenação Introdução a Teoria do Campo Cristalino e Introdução a Reações e Mecanismos de Reações Prof. Dr. Emerson M. Girotto Departamento de Química - UEM ? Complexos ? Cronologia ►Tassaert (1798) ▪ CrCl3 + 6NH3 ➔ CrCl3.6NH3 (amarelo) ▪ CrCl3 + 5NH3 ➔ CrCl3.5NH3 (roxo) ▪ CrCl3 + 4NH3 ➔ CrCl3.4NH3 (verde) estáveis e coloridos! POR QUE? é um composto muito complexo! Cronologia ►Alfred Werner (1893) 1866-1919 CoCl36NH3 CoCl35NH3 CoCl34NH3 CoCl33NH3 Werner disse: “O metal central é rodeado por vizinhos mais próximos, que vou chamar de ligantes e que essa região mais próxima será chamada de esfera de coordenação. Os vizinhos mais distantes não participam da esfera de coordenação.” Prêmio Nobel de Química, 1916 Prestígio + US$ 1 milhão Cronologia ►Boer, Van Arkel, Garrick, Bethe e Van Vleck (1928-1932) ▪ Teoria do Campo Cristalino (TCC) ►Interações puramente eletrostáticas ►Teorias: ▪ Teoria da Ligação de Valência (Hibridização) ►Octaédro: híbrido sp3d2 ([Co(NH3)6] 3+ ➔ ▪ Teoria do Campo Cristalino (TCC) ►Cor, comportamento em reações ▪ Teoria do Campo Ligante (T.O.M. para complexos) ►Tipo de ligações, série espectroquímica Teoria do Campo Cristalino (TCC) os 5 orbitais “d” Juntando tudo: ► Azul ▪ dxz ► Roxo ▪ dxy ► Vermelho ▪ dyz ► Amarelo ▪ dz2 ► Verde ▪ dx2-y2 x y z Aproximando 6 ligantes na direção de x, y e z ► Quais orbitais estão nas mesmas direções de x, y e z? ▪ x e y: dx2-y2 ▪ z: dz2 O famoso desdobramento Antes da aproximação dos ligantes 5 orbitais degenerados = mesma energia dxy dxz dyzdz2 dx2-y2 O famoso desdobramento Depois da aproximação dos ligantes 5 orbitais desdobrados energia dxy dxz dyz dz2 dx2-y2 Onde está o octaedro? Complexos octaédricos: cadê o octaedro? [Co(NH3)6]Cl3 NH3 NH3 NH3 NH3 NH3 NH3 Co3+ Cl Cl Cl Parâmetros energéticos da TCC: 6Dq, 4Dq, 10Dq, eg, t2g dxy dxz dyzdz2 dx2-y2 6Dq dxy dxz dyz t2g dz2 dx2-y2 eg 4Dq 10Dq Dq = unidade de energia relativa, usada na TCC para complexos octaédricos e quadrado planares. As letras D e q provém de termos da Mecânica Quântica e Dq é a sigla de: “Differential of quanta” De onde vem a cor dos complexos? dxy dxz dyzdz2 dx2-y2 dxy dxz dyz t2g dz2 dx2-y2 eg 10Dq [Co(NH3)6]Cl3 = Co 3+ Co3+= 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 Regra de Hund: máxima multiplicidadeTRANSIÇÕES d-d: dá origem a cor dos complexos Preenchimento dos orbitais desdobrados Após o 3º elétron: o que fazer? dxy dxz dyzdz2 dx2-y2 dxy dxz dyz t2g dz2 dx2-y2 eg 10Dq [Co(NH3)6]Cl3 = Co 3+ Co3+= 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 Situação de CAMPO FORTE ou SPIN BAIXO dxy dxz dyzdz2 dx2-y2 [Co(NH3)6]Cl3 = Co 3+ Co3+= 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 dxy dxz dyz t2g dz2 dx2-y2 eg 10Dq dz2 dx2-y2 dxy dxz dyz 10 Dq [Co(NH3)6]Cl3 = Co 3+ Co3+= 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 Situação de CAMPO FRACO ou SPIN ALTO dxy dxz dyzdz2 dx2-y2 dxy dxz dyz t2g dz2 dx2-y2 eg 10Dq Energia de Estabilização do Campo Cristalino (EECC) Situação de CAMPO FORTE ou SPIN BAIXO dxy dxz dyzdz2 dx2-y2 [Co(NH3)6]Cl3 = Co 3+ Co3+= 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 dz2 dx2-y2 dxy dxz dyz 10Dq 4Dq 6Dq EECC = 4Dq + 4Dq + 4Dq + 4Dq - 1P + 4Dq - 1P + 4Dq - 1P EECC = 24Dq - 3P T2g 6 eg 0 t2g eg dxy dxz dyzdz2 dx2-y2 dxy dxz dyz t2g dz2 dx2-y2 eg 6Dq [Co(NH3)6]Cl3 = Co 3+ Co3+= 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 Situação de CAMPO FRACO ou SPIN ALTO EECC = 12Dq 4Dq - 6Dq - 6Dq + 4Dq - 1P EECC = 4Dq - 1P T2g 4 eg 2 Como medir experimentalmente o valor 10Dq? dxy dxz dyzdz2 dx2-y2 dxy dxz dyz t2g dz2 dx2-y2 eg 10Dq [Co(NH3)6]Cl3 = Co 3+ Co3+= 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 TRANSIÇÕES d-d: dá origem a cor dos complexos Espectroscopia na região do visível Fatores que afetam o 10Dq ►Carga iônica do metal ▪ Maior carga, maior 10Dq ►Atração núcleo (+) com elétrons dos ligantes ►Carga nuclear do metal ▪ Maior a carga nuclear, maior 10Dq ►Atração núcleo (+) com elétrons dos ligantes ►Número de ligantes ▪ Mais ligantes, maior 10 Dq ►Natureza dos ligantes V3+ 10Dq = 18000 cm-1 V2+ 10Dq = 11800 cm-1 [Co(H2O)6] 3+ 10Dq = 18200 cm-1 [Rh(H2O)6] 3+ 10Dq = 27000 cm-1 Natureza dos ligantes sobre 10Dq ► Efeitos puramente eletrostáticos ▪ Maior interação leva a maior repulsão ►que leva a maior 10Dq Complexo 10Dq (cm-1) [CoCl6] -3 [Co(H2O)6] +3 [Co(NH3)6] +3 [Co(CN)6] -3 15300 18200 22900 33500 *Dados obtidos experimentalmente Ordem esperada (crescente): H2O > NH3 > Cl - > CN- (menor desdobramento) Ordem experimental (crescente): CN- > NH3 > H2O > Cl - (menor desdobramento) Série Espectroquímica ►Valores obtidos experimentalmente para a ordem dos ligantes em relação ao desdobramento provocado. Ligantes de campo fraco Ligantes de campo forte I-<Br-<S2-<SCN-<Cl-<NO3 -<N3 -<F-<OH-<CO3 2-<C2O4 2-=H2O,NCS -<CH3CN<py<NH3<en<bipy<phen<NO2 -<PPh3<CN -=CO (desdobramento maior) TUDO DEPENDE: EXISTÊNCIA DE ORBITAIS DISPONÍVEIS NOS LIGANTES PARA FORMAR LIGAÇÃO COM METAL CENTRAL DO COMPLEXO Cl- = possui somente orbitais p preenchidos ➔ campo fraco NH3 ou H2O= possui orbitais moleculares * vazios ➔ campo moderado CN- ou CO = possui orbitais moleculares * vazios ➔ campo forte chuva sol Cl- < H2O Reações e Mecanismos de Reações Transferência de átomos ou grupos de átomos: substituição nucleofílica Transferência de elétrons: reações redox Complexos Lábeis e Inertes ►Termodinâmica x Cinética ▪ Termodinamicamente: estável x instável ▪ Cineticamente: lábil x inerte ►Complexo Lábil ▪ possuem meia-vida < 1 min ▪ [Co(H2O)6] 2+ + 6 NH3 ➔ [Co(NH3)6] 2+ (rápida) ►então [Co(H2O)6] 2+ é estável mas LÁBIL ► Complexo Inerte ▪ possuem meia-vida > 1 min ▪ [Co(NH3)6] 3+ + 6 H2O ➔ [Co(H2O)6] 3+ (lenta) ►então [Co(NH3)6] 3+ é instável mas INERTE COMO SABER SE O COMPLEXO É LÁBIL OU INERTE ? principalmente dados experimentais PORÉM depende muito: DA FORÇA DA LIGAÇÃO M-L DA EECC DO COMPLEXO Reações de Substituição Associativas (A) ►Similares a SN2 da química orgânica ▪ Forma intermediário com NC maior ▪ Velocidade depende da entrada de Y ►Mais comum para complexos quadrado planares M: metal central X: grupo de saída Y: grupo de entrada M X M Y X * M Y lenta rápida +Y -X Dissociativas ►Similares a SN1 da química orgânica ▪ Forma intermediário com NC menor ▪ Velocidade depende da saída de X ►Mais comum para complexos octaédricos M L XL L L L lenta M L L L L L * rápida M L YL L L L -X +Y Reações Redox Esfera interna ►Contato: formam intermediário em ponte ►Ligantes que formam ponte ▪ aqueles com pares de elétrons livres Co NH3H3N NH3 NH3 ClH3N Cl Cl + Cr H2O OH2 OH2 H2O Cl Cl OH2 OH2 Co NH3H3N NH3 NH3 H3N Cl Cl Cl Cr OH2 OH2 Cl OH2 OH2 H2O Cl Co NH3H3N NH3 NH3 H2OH3N Cl Cl Cr Cl OH2 OH2 H2O Cl Cl OH2 OH2 ++ H2O Co3+ (d6) Cr2+(d4) Co2+ (d7) Cr3+ (d3) x x Esfera externa ►Sem contato ►Ocorre quando a transferência de elétrons é mais rápida que a substituição ▪ geralmente acontece em complexos inertes (ambos) ►não há substituição de ligantes Fe H2O OH2 OH2 H2O Cl Cl Cl OH2 OH2 + Fe NC CN CN NC K CNCN K K K Fe3+ (d5) Fe2+ (d6) Fe2+ (d6) Fe3+ (d5) Fe H2O OH2 OH2 H2O Cl OH2 OH2 Cl Fe NC CN CN NC K CN CN K K+ + KCl Oxidação simples “SUBSTITUIÇÃO OXIDATIVA” ►Usando um agente oxidante ▪ H2O2, O2, KMnO4, etc. Co NH3H3N NH3 NH3 NH3H3N Cl Cl H2O2 Co NH3H3N NH3 NH3 NH3 Co NH3 H3N NH3 NH3 OH3N O Cl Cl Cl Cl HH INTERMEDIÁRIO peroxo-complexo Co NH3H3N NH3 NH3 OHH3N Cl Cl 22 + 2NH3 Co3+ (d6)Co 2+ (d7) Bibliografia ► Santos Filho, P. F., Estrutura Atômica & Ligação Química, 1a edição, UNICAMP, Campinas-SP, 1999. ► Huheey, J. E., Keiter, E. A., Keiter, R. L., Inorganic Chemistry - Principles of Structure and Reactivity, 4a edição, Harper Collins, New York, 1993. ► Shriver, D. F., Atkins, P. W., Langford, C. H., Inorganic Chemistry, 2a edição, Oxford University, Oxford, 1994. ► Cotton, F. A., Wilkinson, G., Gauss, P. L., Basic Inorganic Chemistry, 3a edição, John Wiley & Sons, New York, 1995. ► F. Basolo e R. Johnson, Química de los Compuestos de Coordinacíon, Editorial Reverté, Barcelona, 1980, p. 87 a 93. ► N. N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, Butterworth/Heinemann, Oxford, 1980, capítulo 26 (complexos). Lista de Exercícios Prática 1 síntese do [Co(NH3)6]Cl3 Co OH2H2O OH2 H2O OH2H2O Cl Cl NH4Cl/carvão Co NH3H3N NH3 NH3 NH3H3N HO Cl H2O2/a frio depois NH4OH Co NH3H3N NH3 NH3 OHH3N Cl OH resfria/precipita/ filtra/remove C HCl(aq) Co NH3H3N NH3 NH3 NH3H3N Cl Cl Cl resfria/precipita/ filtra Co NH3H3N NH3 NH3 NH3 Co NH3 H3N NH3 NH3 OH3N O HO Cl OH Cl HH INTERMEDIÁRIO peroxo-complexo Co NH3H3N NH3 NH3 NH3H3N Cl OH HO NH3 carvão 1 2 3 4 5 2 etapa muito rápida + OH- + 2OH - + 6H2O + Cl - 1) Por que, no início da reação, parte-se de CoCl2.6H2O (Co 2+) e não do CoCl3.6H2O (Co 3+), já que teremos que oxidar o Co2+ a Co3+? Como a terceira energia de ionização do cobalto é muito alta, o Co3+ é instável e se reduz facilmente a Co2+. (2 CoCl3.6H2O ==> 2CoCl2.6H2O + Cl2) 2) Por que a amônia é capaz de substituir os ligantes acquo (H2O) do composto de partida? O complexo hexaacquocobalto(II) é estável do ponto de vista termodinâmico porém, lábil do ponto de vista cinético. Por isso, ele substitui rapidamente os ligantes acquo pelos ligantes NH3, formando o complexo hexamincobalto(II) que comparado ao hexaacquo é instável (e ainda continua sendo lábil!). Contudo, o [Co(NH3)6] 2+ permanece disponível porque adicionamos um excesso de NH3, mantendo o equilíbrio [Co(H2O)6] 2+ + 6NH3 <==> [Co(NH3)6] 2+ +6H2O deslocado para o sentido dos produtos. 3) Baseando-se na Teoria do Campo Cristalino, explique porque é mais viável fazer a substituição dos ligantes H2O pelos ligantes NH3 ANTES da etapa de oxidação do Co2+ a Co3+. Sempre inicia-se a síntese com a adição de uma porção do composto que contém o ligante porque isso faz com que fique mais fácil a oxidação do Co2+ a Co3+. Essa facilidade de oxidação é explicada pela Energia de Estabilização do Campo Cristalino-EECC (Teoria do Campo Cristalino). ➔ Prática 1 síntese do [Co(NH3)6]Cl3Co OH2H2O OH2 H2O OH2H2O Cl Cl NH4Cl/carvão Co NH3H3N NH3 NH3 NH3H3N HO Cl H2O2/a frio depois NH4OH Co NH3H3N NH3 NH3 OHH3N Cl OH resfria/precipita/ filtra/remove C HCl(aq) Co NH3H3N NH3 NH3 NH3H3N Cl Cl Cl resfria/precipita/ filtra Co NH3H3N NH3 NH3 NH3 Co NH3 H3N NH3 NH3 OH3N O HO Cl OH Cl HH INTERMEDIÁRIO peroxo-complexo Co NH3H3N NH3 NH3 NH3H3N Cl OH HO NH3 carvão 1 2 3 4 5 2 etapa muito rápida + OH- + 2OH - + 6H2O + Cl - 4) Por que adicionamos carvão ativo? Porque o carvão ativo atua como catalisador heterogêneo (pode ser separado ao final) para a entrada da última das 6 moléculas de NH3 no composto final. Sem o carvão a substituição por completo seria muito lenta. 5) Por que adicionamos NH4OH ANTES da etapa de oxidação? O meio básico aumenta o potencial de oxidação do Co2+ de -1,83 para -0,17 V, ou seja, faz com que fique mais fácil que o Co2+ sofra oxidação. 6) Por que adicionamos também NH4Cl no início? O NH4Cl fornece uma fonte de NH4 + que é necessária para manter o seguinte equilíbrio deslocado no sentido dos produtos: [Co(NH3)5OH] 2+ + NH4 + <==> [Co(NH3)6] 2+ + H2O (vide composto 2). [Co(NH3)5OH] 2+ + NH4 + <==> [Co(NH3)6] 3+ + H2O (vide composto 4). 7) Por que que adicionamos H2O2 a frio? Esfria-se porque a solução estava quente. Quente o H2O2 sofreria decomposição antes de oxidar o cobalto: (H2O2 => H2O + ½ O2) 8) Por que na última etapa adicionamos HCl e aquecemos? Para fornecer os contra-ions desejados (Cl-) que substituem os contra-íons OH-. O aumento da temperatura é meramente uma questão de energia de ativação da reação. Prática 2 síntese do [Co(NH3)5CO3]NO3 Co NH3H3N NH3 NH3 NH3 Co NH3 H3N NH3 NH3 OH3N O O3N O3N NO3 NO3 HH peroxo-complexo INTERMEDIÁRIO Co OH2H2O OH2 H2O OH2H2O O3N NO3 (NH4)2CO3/NH4OH H2O2Co NH3H3N NH3 NH3H3N O3N NO3 NH3 Co NH3H3N NH3 OHH3N NO3 NH3 O3N (NH4)2CO3 Co NH3H3N NH3 CO3H3N NO3 NH3 resfria/precipita/ filtra 1 2 3 4 + 6H2O 2 + OH- 1) Por que adiciona-se CO3 2- no início da reação se a substituição só ocorre na última etapa? E porque adiciona-se mais CO3 2- na última etapa? A adição de carbonato no início tem a função de manter uma fonte de CO3 2- para o exato momento em que se forma o complexo [Co(NH3)5(OH)](NO3)2] que por sua vez reagirá prontamente com o íon CO3 2- formando o composto final. Se adiciona mais carbonato de amônio na última etapa porque o CO3 2- colocado no início começa a ser consumido e é necessário adicionarmos mais para que a reação se processe por completo. Além disso, durante o aquecimento uma grande parte de NH3 dissolvida desprende-se da solução na forma de NH3(g) e perde-se. Essa perda brusca de NH3 do meio reacional provoca a existência de uma grande quantidade de H2O, que pode começar a substituir as moléculas de NH3 que já estão na esfera de coordenação . Por isso a fonte de CO3 2- é também uma fonte de NH3: (NH4)2CO3. 2) Por que não é necessário colocar carvão ativo para substituir os 6 ligantes H2O do composto de partida por 6 ligantes NH3? É porque o composto de partida contém o Co2+ e os complexos octaédricos de Co2+ são lábeis do ponto de vista cinético. Na prática anterior, coloca-se carvão ativo no início do experimento, mas o motivo não é para substituir as 6 moléculas de água por amônia. Na verdade, na prática 1, o carvão ativo é necessário na etapa 4 (ver reação da prática 1) porque temos Co3+ que é inerte do ponto de vista cinético e por isso a substituição da 6a molécula (nesse caso o OH) por NH3 é muito lenta e necessita-se do carvão ativo para catalisar esse substituição. (Só precisa de carvão ativo se o complexo for inerte, nesse caso, Co3+). 3) O que acontece se adicionarmos também carvão ativo na última etapa? (ou seja, junto com o carbonato de amônio) Provavelmente teremos como produto principal o [Co(NH3)6] 3+, pois o carvão ativo catalisa a substituição do CO3 2- pela amônia. Prática 3 síntese do [Co(NH3)5Cl]Cl2 HCl Co NH3H3N NH3 O-CO2H3N NO3 NH3 + CO2 NH4OH Co NH3H3N NH3 NH3 O-H2H3N Cl Cl Cl Co NH3H3N NH3 NH3 ClH3N Cl Cl HCl(aq) resfria/precipita/ filtra excesso Co NH3H3NNH3 NH3 OH2H3N HO HO 1 2 3 4 + H2O 1) Como os pesquisadores puderam comprovar que a substituição do grupo CO3 2- no composto de partida pelo grupo H2O ocorre sem a quebra da ligação O-CO2? Pôde-se demonstrar que não ocorre a ruptura da ligação Co-O através da marcação do grupo Co-O com oxigênio radiativo (18O). Como no produto da reação o 18O continua no complexo, significa que não houve quebra da ligação Co-O. Exemplo: [(NH3)5Co- 18O-NO]2+ + HNO2 ==> [(NH3)5Co- 18OH]2+ + N2O3 2) Após a formação do complexo 2, adiciona-se NH4OH em excesso, ou seja, mais NH3. Poderíamos pular essa etapa e adicionar diretamente o HCl? Se sua resposta for sim, qual(is) seria(m) o(s) produto(s) formado(s) e porque? Se sua resposta for não, por que então colocar um excesso de NH3? Não, não podemos pular essa etapa. Se pularmos a etapa de adição de excesso de NH3 corremos o risco de o complexo 2 ter mais ligantes acquo do que o esperado pois a acquação (entrada de água como ligante) é probabilísticamente (e termodinamicamente) favorável (existe muito mais água do que outro ligante, visto que, o solvente é a própria água). Então, se adicionarmos diretamente o HCl poderemos ter outros produtos como o [Co((NH3)4Cl2]Cl ou até mesmo o [Co(NH3)3Cl3]. Prática 4 síntese do [Co(NH3)3(NO2)3] Co OH2H2O OH2 H2O H2OH2O CO3 NH4OH NaNO2 H2O2 (NH4)CO3/carvão aquece/filtra Co NH3O2N NO2 NH3 NO2H3N Co NH3O2N NO2 NH3 NO2H3NH3CCOOH Co OH2H2O OH2 OH2 OH2H2O H3CCOO OOCCH3 resfria/precipita/ filtra + H2CO3 + 6H2O Co NH3O2N NO2 NH3 NO2 Co NO2 H3N NO2 NH3 OO2N O HH peroxo-complexo INTERMEDIÁRIO + 2NH3 Co NO2H3N NO2 NH3 OHO2N 2 1) Por que adiciona-se ácido acético ao reagente de partida? É adicionado o ácido acético para eliminação do CO3 2- na forma de H2CO3 (H2O + CO2). 2) Por que não se adiciona HCl para remoção do CO3 2- ao reagente de partida ao invés do ácido acético? É adicionado o ácido acético porque seu ânion (acetato) é bastante volumoso e por esse motivo é facilmente eliminado quando ocorre a entrada dos ligantes NO2 -. Outros Exercícios Co NH3H3N NH3 NH3 OH3N C O O- + ou Co OH3N NH3 NH3 OH3N C O + Co H2OH2O H2O H2O H2OH2O 2+2+ Co NH3H3N NH3 NH3 NH3H3N NH4OH NH4Cl (NH4)2CO3 NH4OH H2O2 H2O2 Co NH3H3N NH3 NH3 NH3 Co NH3 H3N NH3 NH3 OH3N O +4 3+ Co NH3H3N NH3 NH3 OHH3N HCl H+ 3+ Co NH3H3N NH3 NH3 OHH3N NH4OH carvão HCl 3+ Co NH3H3N NH3 NH3 NH3H3N 3+ Co NH3H3N NH3 NH3 ClH3N Co NH3H3N NH3 NH3 OH3N C O O- + (NH4)2CO3 Obs: setas pontilhadas indicam a aplicação do mecanismo para o [Co(NH3)5CO3] 1+ Pt NH3H3N ClCl cis Pt NH3H3N OO C C OO 1/2 eq. g. Pt ClH3N NH3Cl trans 1 eq. g. Pt OH3N NH3O C C O- O O CC OO -O TLV – Hibridização (Linus Pauling) A teoria do orbital molecular, aplicada a compostos de metais de transição (teoria do campo ligante), prevê a existência de três tipos diferentes de ligantes. Os primeiros seriam aqueles que não apresentam nenhum tipo de orbital disponível, além daquele utilizado na formação da ligação com o metal (amônia=híbrido sp3), enquanto que os outros tipos de ligantes poderiam, ou apresentar orbitais p preenchidos que não foram usados em nenhuma ligação (Cl-), ou d (AsR3) ou * vazios . Os primeiros seriam ligantes de campo moderado, enquanto que aqueles que apresentam orbitais p preenchidos seriam ligantes de campo fraco e os restantes seriam de campo forte. Campo moderado Campo forte figura 36 - diagrama dos níveis de energia dos orbitais moleculares do tipo , presentes no íon complexo [Co(NH3)6] +3. figura: diagrama mostrando os níveis de energia dos orbitais moleculares, tanto do sistema quanto do sistema . O conjunto de níveis de energia no retângulo destacado no lado direito da figura, corresponde aos níveis de energia que devem ser inseridos no retângulo do diagrama do lado esquerdo. figura: diagrama dos níveis de energia dos orbitais moleculares formados a partir de interações, exclusivamente, do tipo , em um íon complexo octaédrico onde os ligantes apresentam orbitais d vazios, que não foram utilizados no modelo .
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