图谱解析核磁共振图谱-氢谱

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1、1 SKLF 第 四 章 核 磁 共 振 图 谱 2 SKLF 第 四 章 核 磁 共 振 图 谱有 机 化 学 最 重 要 的 图 谱 解 析 方 法NMR 给 出 了 关 于 所 研 究 原 子 中 不 同 磁 性 原 子 的 数 目 信 息 。1H-NMR u 有 几 种 氢 原 子 ?u 每 种 各 有 多 少 个 ? u 哪 种 类 型 的 氢 原 子 ? u 他 们 是 怎 样 连 接 的 ? 3 SKLF 磁 旋 特 性 : 任 何 具 有 奇 数 个 质 子 数 、 原 子 序 数 或 两 者都 为 奇 数 的 原 子 具 有 量 子 化 的 自 旋 角 动 量 和 磁 矩 。

2、较 为 常 见 的 具 有 自 旋 特 性 的 原 子 有 :H21 C136H11 N147 O178 F19912C, 16O, 32S无 此 特 征 4 SKLF 自 旋 状 态 的 数 目 : 2I+1 自 旋 量 子 数 I 对 于 每 种 原 子 核 , I 是 物 理 常 数 ;各 原 子 核 的 自 旋 状 态 符 合 以 下 序 列 :+I, (I-1), , (-I+1), -I表 4.1 一 些 常 见 原 子 核 的 自 旋 量 子 数 5 SKLF 在 没 有 外 加 磁 场 时 , 原 子 核 的 所 有 磁 旋 状 态 能 量 是 相 等 的 (简 并 的 ) ,

3、 在 聚 集 的 原 子 中 , 所 有 的 自 旋 状 态 应 当 几 乎 等 量的 增 加 , 每 种 磁 旋 状 态 的 原 子 数 目 应 该 相 同 。 6 SKLF 在 外 加 磁 场 中 , 磁 旋状 态 是 不 相 同 , 这 是因 为 原 子 核 是 带 电 粒子 , 所 有 运 动 的 电 荷都 能 够 产 生 自 己 的 磁场 。因 此 , 原 子 有 磁 矩 ,, 由 自 身 电 荷 的 旋 转产 生 . 外 加 磁 场 的方 向 (Bo)自 旋 +1/2 自 旋 1/2 顺 磁 逆 磁 7 SKLF 自 旋 状 态 +1/2 具 有 较低 的 能 量 , 因 为 其

4、磁矩 与 磁 场 方 向 相 同 ;自 旋 状 态 1/2具 有 较高 的 能 量 , 因 为 其 磁矩 与 磁 场 方 向 相 反 . 8 SKLF 因 此 , 当 有 外 加 磁 场 存 在 时 , 简 并 的 磁 旋 状 态 被 分为 能 量 不 同 的 两 种 -1/2 和 磁 场 方 向 相 反+1/2 和 磁 场 方 向 相 同无 外 加 磁 场 有 外 加 磁 场E B o +1/2-1/2能 量 排 列 成 线 9 SKLF E -3/2-1/2+1/2+3/2 +3/2-3/2 -1/2+1/2无 磁 场 有 磁 场能 量 Bo 排 列 10 SKLF -1/2+1/2 +h

5、v 外 加 磁 场的 方 向当 顺 磁 的 原 子 核 被 诱 导 吸 收 能 量 , 改 变 本 身 的自 旋 核 磁 方 向 , 这 种 现 象 称 谓 核 磁 共 振 现 象 。hvEEE statestateabsorbed )( 2121 11 SKLF 外 加 磁 场 强 度 越 强 , 可 能 存 在 的 磁 旋 状 态 之 间 的 能 量 差 越 大)( 0BfE -1/2+1/2 E =kB0=hB 0 磁 场 强 度 的 增 加 12 SKLF 磁 旋 比 , 能 级 的 分 离 也 取 决 于 原 子 的 特 性每 种 原 子 (H, Cl,) 对 于 角 动 量 而 言

6、 的 磁 矩 的 比 例 各 不相 同 , 因 为 他 们 各 自 的 电 荷 数 和 质 量 数 不 同 . , 对 于 每 种 原 子 来 说 是 一 个 常 数 , 决 定 了 由 外 加 磁 场 产生 的 自 旋 状 态 的 能 量 差 。 hvBhBfE 00 )2()( 0)2( Bv 13 SKLF 图 4.2原 子 产 生 核 磁 共 振 的 吸 收 频 率 和 磁 场 强 度 14 SKLF 由于地球重力磁场的影响,顶端沿着自己轴进动. 当有外加磁场存在时,原子核开始沿着自身自旋的轴以角速度进动 (拉 莫尔 频 率 ). 15 SKLFv 吸 收 发 生 , 同 外 加 磁

7、场 的 强 度 成 比 例 ; 外 加 磁 场 强 度 越 大 ,进 动 的 速 率 越 大 . 由 于 原 子 核 带 有 电 荷 , 原 子 核 进 动 将 产 生 同 样 频 率 的 振荡 电 场 。 如 果 有 相 同 频 率 的 射 线 照 射 进 动 质 子 , 此 时 射 线 的 能 量将 被 吸 收 . 60 MHz 16 SKLF 当入射射线的振荡电场的频率同原子核进动产生的电场频率相同时,两个电场将会发生耦合,能量将会发生转移,从而引起自旋状态的改变。我们就说这种原子核入射的电磁射线发生了共振。噢 , 我 明 白 了 !共 振 17 SKLF 低 能 态 的 自 旋 状 态

8、 稍 微多 一 些这 种 数 量 的 差 异 利 用 波耳 兹 曼 分 布 律 进 行 计 算 。 kThvkTElowerupper eeNN / 009,000,1 000,000,1999991.0 lowerupperNNh = 6.624 10-34 Jseck = 1.380 10-23 J/Kmolecule (分 子 为 气 态 )T = 绝 对 温 度 (K)25 ,60MHz )60,(/1039.2 15 MHzHmolekJhvE 18 SKLF 多 出 的 数 目多 出 的 那 部 分 原 子 使 得 我 们 能 够 观 察 到 共 振 效 应 。如 果 低 能 态

9、和 高 能 态 的 原 子 数 完 全 相 同 , 我 们 将 不 能观 察 任 何 信 号 。 这 种 现 象 叫 做 饱 和 。操 作 频 率 越 高 , 仪 器 越 灵 敏 , 共 振 信 号 越 强 。NN+9数 量 N = 1,000,000多 出 = 9 表 4.3 在 操 作 频 率 下 1H多 出 数 量 的 变 化 19 SKLF 分 子 中 的 质 子 被 电 子 所 包 围 , 彼 此 所 处 的电 子 环 境 略 有 不 同 。质 子 被 其 周 围 的 电 子 所 屏 蔽外 加 磁 场 使 得 质 子 的 价 电 子 形 成 环 流局 部 的 抗 磁 电 流 产 生

10、了 一 个 反 向 磁 场 , 同外 加 磁 场 方 向 相 反 。0)2( Bv 20 SKLF 抗 磁 掩 蔽 效 应局 部 的 抗 磁 电 流 产 生 了 以 个 次级 的 诱 导 磁 场 , 其 方 向 和 外 加磁 场 的 方 向 相 反 。分 子 中 的 每 一 个 质 子 在 外 加 磁场 屏 蔽 的 程 度 取 决 于 其 周 围 电子 云 密 度 。质 子 周 围 的 电 子 云 密 度 越 强 ,产 生 的 诱 导 反 磁 场 的 强 度 越 强 。 B0B 21 SKLF 屏 蔽 原 子 核 的 反 磁 场 减 弱 了 原 子 核 所 处 的 外 加 磁 场 的强 度 。

11、因 此 , 原 子 核 在 较 低 频 率 下 进 动 。 这 就 意 味 着 它 吸 收的 无 线 电 频 率 也 降 低 了 。分 子 中 的 每 个 质 子 所 处 的 化 学 环 境 都 有 略 微 的 不 同 ,因 此 各 自 受 到 电 子 屏 蔽 效 果 也 有 所 差 异 , 这 导 致 了 各自 的 共 振 频 率 的 差 异 。 )1(2)(2 00 BBB 22 SKLF 这 种 共 振 频 率 的 差 异 是 十 分 小 的 。例 如 , CH3Cl, CH3F, 72Hz (1.41Tesla, 60MHz)要 想 达 到 这 种 精 确 度 , 检 测 到 精 确

12、的 频 率 是 十 分 困 难的 ;因 此 , 不 要 试 图 测 量 每 一 个 质 子 的 精 确 的 共 振 频 率标 准 的 参 照 物 : (CH3)4Si, TMS; 直 接 测 量 共 振 频 率 的差 异 。参 照 TMS, 特 定 质 子 的 共 振 频 率 同 外 加 磁 场 的 强 度 密切 相 关 。 SiCH3CH 3 H3C CH3TMS 例 如 , 在 60MHz的 磁 场 中 , CH3Br 的 化 学位 移 为 162 Hz , 而 在 100MHz 中 其 化 学 位 移为 270 Hz. 23 SKLF 化 学 位 移 (), 同 场 强 无 关 的 表

13、示 方 法ppmMHzHzMHzHz 70.210027060162 )( )( MHzHz核 磁 共 振 频 率化 学 位 移 特 定 质 子 的 值 通 常 是 相 同 的 , 不 需 要 再 考 虑 测 量频 率 了 。 24 SKLF 0: 60MHz H0: 1.4092T 1ppm= 60Hz 100MHz 2.3488T 100Hz 200MHz 4.6975T 200Hz 400MHz 9.3951T 400Hz10 8 6 4 2 010 8 6 4 2 010 8 6 4 2 0 100MHz250MHz 25 SKLF A.连 续 波 的 发 射 器 (CW) 26 SK

14、LF 因 为 被 高 度 掩 蔽 的 质子 较 相 对 掩 蔽 程 度 较小 的 质 子 进 动 速 率 慢 ,需 要 增 加 场 强 诱 导 它们 在 60MHz频 率 下 发生 进 动 。因 此 , 高 屏 蔽 的 质 子在 图 的 右 边 出 现 吸 收峰 , 低 屏 蔽 的 质 子 在图 的 左 边 出 现 吸 收 峰 。)1(2 0 B左 , 低 场 ; 右 , 高 场图 谱 的 频 率 范 围 27 SKLF B. 脉 冲 信 号 傅 里 叶 转 变 移 (FT)脉 冲 信 号 同 时 激 发 了 分 子 中 所 有 的 磁 性 核 。海 森 堡 测 不 准 原 理 , 一 个 频

15、 率 范 围 28 SKLF 自 由 感 应 衰 减 信 号 (FID) 当 脉 冲 信 号 连 续 时 , 被 激发 的 原 子 核 将 释 放 它 们 的激 发 能 , 回 到 原 始 的 自 旋状 态 , 或 者 称 弛 豫 。当 每 一 个 激 发 的 原 子 核 都发 生 弛 豫 时 , 它 将 放 射 出电 磁 波 。 不 同 频 率 的 电 磁波 同 时 发 射 。 这 种 放 射 信号 称 为 FID 信 号 . 29 SKLF 时 域 信 号 以 丙 酮 为 例 , 所 有 的 六 个 氢原 子 都 是 等 价 的 。随 着 原 子 核 的 弛 豫 , 它 们 的逐 渐 消

16、失 , 这 种 信 号 随 时 间呈 指 数 衰 减 。观 测 到 得 FID 实 际 上 是 一 种无 线 电 波 和 激 发 原 子 核 放 射信 号 的 干 涉 信 号 。 脉 冲丙 酮 vv 1 脉 冲 脉 冲丙 酮丙 酮 v vv MHzHzppm )()( TMS 丙 酮丙 酮 信 号 的 频 率 范 围 31 SKLF 脉 冲 FT 方 法 的 优 点更 加 灵 敏 , 能 够 检 测 非 常 弱 的 信 号更 快 , 只 需 要 几 秒 钟可 重 复 试 验 , 大 量 图 谱 的 重 复 叠 加改 进 了 信 噪 比nfNS 32 SKLF 分 子 的 NMR吸 收 峰 明

17、显 增 加 -当 所 有 的 质 子 的化 学 当 量 NMR 图 谱 可 以 区 分 分 子 中 含 有 多 少 种 不 同 的质 子 。 通 常 , 质 子 为 化 学 等 价 时 , 它 也 是 磁 等 价 的 。HHHHH H CH2CH2 CH2CH2CH2CH3 C CH3O (CH3)4Si CH2CH2 CCOO OCH3OCH3 HH HHCH3CH3CH3 C OCH3O CH3 O CH2ClCH3 O CH2 CCH3CH3CH3 CH3 C CH2 OO CH3 33 SKLF NMR图 谱 显 示 分 子 中 含 有 几 种 类 型 的 氢 原 子 。在 NMR 图

18、 谱 中 , 每 一 个 峰 的 的 面 积 同 产 生 这 个 峰 的氢 原 子 数 目 成 正 比 。 HHH H H CH2C O CH37.2 (5 质 子 ) (2 质 子 )3.6 ppm2.1 ppm(3 质 子 34 SKLF 35 SKLF 36 SKLF 不 同 种 类 的 质 子 有 不 同 的 化 学 位 移 。每 一 种 质 子 都 有 自 己 特 有 的 化 学 位 移 值 。 (一 个 有 限 的 区 域 ) 37 SKLFH0 H0B0B0 38 SKLF A.电 负 性 作 用取 代 基 的 电 负 性 越 强 , 它 屏 蔽 质 子 的 能 力 越 强 ,

19、因 此 , 这 些 质 子 的化 学 位 移 越 大 。多 重 取 代 比 单 取 代 的 效 果 要 强 。碳 原 子 上 电 负 性 的 取 代 基 降 低 相 连 质 子 的 局 部 反 磁 场 屏 蔽 效 应 , 因为 他 们 降 低 了 这 些 质 子 周 围 的 电 子 云 密 度 。表 4.4 CH3X 化 学 位 移 同 取 代 基 X的 关 系表 4.5 取 代 效 应去屏蔽效应 39 SKLF B. 杂 化 效 应和 H相 连 sp 3 C 要 是 和 杂 原 子 或 不 饱 和 双 键 相 连 的 话 ,如 (-O-CH2-) (-C=C-CH2-) , H的 吸 收 峰

20、 将 不 再 处 于 这个 区 域 , 化 学 位 移 更 大 。0-2 ppmC C CC H C C HC H C C HH H HH 0 12脂 肪 族 3o 2o 1o Strained ring “sp3” H Near 1 ppm1.2-1.4 ppm 40 SKLF “sp2” H 4.5-7 ppm sp2-1s C-H键 , C原 子 s的 特 征更 强 (33% s), 这 使 得 它 的 电 负性 比 sp 3 C (25% s)更 强 . s轨 道 比 p轨 道 电 子 离 原 子 核更 近 。 -C=C-H, 5-6 H 7-8 -CHO, 9-10 R C HO“s

21、p” H2-3 ppm 41 SKLF 3. 酸 和 可 交 换 的 H; 氢 键酸 上 H,屏 蔽 最 小 的 质 子 R C OO H R C OO H共 振 效 应 和 O得 电负 性 吸 引 H的 电 子 10-12 ppm 42 SKLF 氢 键 和 可 交 换 氢可 以 形 成 氢 键 的 H (-OH, -NH2)在 一 个 较 宽 的 范 围 内 表现 出 非 常 多 样 的 吸 收 位 置 。表 4.6 化 学 位 移 多 样 的 质 子 的 典 型 区 域 43 SKLF R O H OHR ORH ORH 自 由 状 态 (稀 溶 液 ) 氢 键 (浓 溶 液 )0.5-

22、1.0 ppm 4-5 ppm 质 子 形 成 的 氢 键 越 多 , 质 子 的 去 屏 蔽 效 应 越 明 显 。氢 键 的 数 量 通 常 是 浓 度 和 温 度 的 函 数 。 44 SKLF 可 交 换 H: 那 些 和 可 以 和 溶 液 介 质 或 彼 此 之 间 交换 的 氢 质 子 吸 收 的 位 置 也 趋 于 多 样 性 。 R O H a + R O H b R O H b + R O H a R O H + R O H +H SO LV H SO LV R O H + SO LV SO LVHR O + 45 SKLF 环 电 流 7.4 ppm 46 SKLF 2-

23、3 ppm屏蔽 47 SKLFCH2H2CH2CH2C H2C H2C CH 2CH2 CH2H2C 2.631.55 1.080.700.51 图 4.23 由 于 在 一 些 常 见 的 重 键 系 统 中 电 子 的 存 在 , 致 使形 成 各 向 异 性 48 SKLF 49 SKLF分 叉 法 则 ( n+1法 则 )每 种 相 同 类 型 的 质 子 的 吸 收 意 味 着 被 相 邻 碳 上 的 化 学等 价 质 子 ( n个 ) 分 裂 为 ( n+1 ) 峰 Cl CHCl CH 2 Cl 3.95 ppm双 峰 5.77 ppm三 重 峰积 分 比=2:1 50 SKLF

24、 51 SKLF CH3CH2I 52 SKLF 53 SKLF 自 旋 -自 旋 裂 分 给 出 了 一 种 新 型 的 结 构 信 息它 表 明 相 邻 碳 上 有 多少 个 质 子 , 致 使 产 生多 重 峰 。 表 4.7 一 些 常 见 的 裂 分 类 型 54 SKLFHA 的 化 学 位 移 受 HB 自 旋 方 向 的 影 响 。我 们 说 HA 和 HB 耦 合 。 55 SKLF HA 在 X型 和 Y型 分 子 中 的 化 学 位 移 略 微 有 所 不 同 。 56 SKLF HA 也 “ 裂 分 ” HB, 因 为 HA 也 有 两 种 自 旋 状 态 。除 非 H

25、A 和 HB 的 位 置 完 全 对称 , 那 么 在 任 何 情 况 下 都 可以 观 察 到 双 峰 。除 了 在 特 殊 的 情 况 下 , 耦 合只 发 生 在 相 邻 碳 原 子 的 氢 质子 上 。 C CHA HBBr BrCl ClC CHA HB C CHA HBCl OCH3Cl OCH3单 峰双 峰 57 SKLF CH2 vs CH3亚甲基上的质子可能的自旋状态净 自 旋 1 0 -1强度之比: 1:2:1。=自 旋 +1/2=自 旋 1/2 58 SKLF CH3 vs CH2可能的自旋状态: 23=8净 自 旋 : +3/2 +1/2 -1/2 -3/2只有四种不同

26、类型的自旋状态强度之比:1:3:3:1 甲 基 质 子 可 能 的 自 旋 状 态 59 SKLF 根据n+1法则,多重峰的强度之比符合杨辉三角。 60 SKLF J 单 峰 之 间 的 距 离 J 是 邻 近 原 子 的 自 旋 状 态 对 其 影 响 大 小 的 描 述 。 耦 合 常 数 的 单 位是 Hz J J J J J3J 2J Chemical Shift DifferenceA B 化 学 位 移 指 的是 基 团 中 心 的距 离 61 SKLF 耦 合 常 数 是 定 值 , 不 随 图 谱 的 测 定 频 率 改 变 而 改 变 。不 同 类 型 的 质 子 的 耦 合

27、 常 数 J不 同 (0-18Hz). 例 如 , 相 邻 的 sp3杂 化 的 碳 原 子 上 的 质 子 , , J=7.5Hz; T双键 反 式 或 顺 式 取 代 的 耦 合 常 数 大 约 分 别 为 : Jcis 10Hz,Jtrans=17Hz. 62 SKLF 图 4.8 一 些 常 见 耦 合 情 况 及 其 耦 合 常 数 (Hz)C CHH 6-8 H H 11-18 H H 6-15H H 0-5HCH 4-10H-C=C-CH 0-3 H H 6-10 H H 1-4 H H 0-2H H 8-11 HH a,a 8-14a,e 0-7e,e 0-5H H cis 2

28、-5trans 1-3O H H cis 6-12trans 4-8 HH 5-7 63 SKLF 彼 此 互 相 裂 分 的 质 子 的 耦 合 常 数 是 相 同 的规 律J = 7 Hz J = 5 Hz J = 7 Hz J = 5 Hz A B C D 64 SKLF 多 重 谱 线 的 相 位 差多 重 峰 最 外 面 得 谱 线 存 在 一 个 趋 势 , 最 外 面 得 谱 线 的高 度 不 相 同 。较 高 的 峰 通 常 向 着 引 起 裂 分 质 子 或 质 子 基 团 的 方 向 。 65 SKLF 66 SKLF 例 1 C4H8O2 (酯 ) 1.2(3H), 2.

29、3(2H),3.6(3H) CH3-CH2- -O-CH3 COCH3-CH2-O- -CH3CO 67 SKLF 例 2 C9H12 (苯 环 取 代 的 芳 香 烃INTEGRAL=5 INTEGRAL=1 INTEGRAL=6 CHCH3CH3 68 SKLF 例 3 C3H7NO2 (-NO2)CH3-CH2-CH2-NO2 69 SKLF 例 4 C4H7O2BrCH 3-CH2-CH-COOHBr Br-CH2CH2CH2COOH10.97 INTEGRAL=1 INTEGRAL=1 INTEGRAL=2 INTEGRAL=3 70 SKLF 习题1. C9H10O: 1.2 三

30、峰 , 3H), 3.0 (四 重 峰 , 2H) 7.4-8.0 (multiplet, 5H) CO CH2CH32. C10H14: 1.3 (单 峰 , 9H), 7.2 ( 多 重 峰 , 5H) CCH3CH3CH3 71 SKLF 3. C10H12O2: 2.0 (单 峰 , 3H), 2.9 (三 重 峰 , 2H) 4.3 (三 重 峰 , 2H), 7.3 (单 峰 , 5H) CH2CH2-O CO CH34. C8H7N: 3.7 (单 峰 , 2H), 7.2 (单 峰 , 5H) CH2 C N 72 SKLF 5. C4H6Cl2O2: 1.4 (三 重 峰 ,

31、 3H), 4.3 (四 重 峰 , 2H) 5.9 (单 峰 , 1H) CO OCHCl Cl CH2CH36. C7H14O: 0.9 (三 重 峰 , 6H), 1.6 (六 重 峰 , 4H) 2.4 (三 重 峰 , 4H) CO CH2CH2CH3CH3CH2CH2 73 SKLF 7. C5H10O2: 1.2 (双 峰 , 6H), 2.0 (单 峰 , 3H) 5.0 (七 重 峰 , 1H) H3C O CHO CH3CH38. C4H8O2: 1.4 (双 峰 , 3H), 2.2 (单 峰 , 3H) 3.7 (单的 宽 峰 , 1H), 和 4.3 (四 重 峰 ,

32、1H).当 稀 释 时 宽 的 单 峰 的位 置 发 生 改 变 CH CH3OH3C O H 74 SKLF 9. C10H12O2: 1.5 (双 峰 , 3H), 2.1 (单 峰 , 3H)5.9 (四 重 峰 , 1H), 7.3 (单 峰 , 5H)10. C 10H12O2: 1.2 (三 重 峰 , 3H), 3.5 (单 峰 , 2H) 4.1 (四 重 峰 , 2H), 7.1 (单 峰 , 5H) CH2CO O CH2CH3 CH OCH3 CO CH3 75 SKLF 11. C6H12O2: 1.5 (单 峰 , 9H), 2.0 (单 峰 , 3H)12. C11

33、H17N: 1.0 (三 重 峰 , 6H), 2.5 (四 重 峰 , 4H) 3.6 (单 峰 , 2H), 7.3 (单 峰 , 5H) CH2N CH2CH3CH2CH3 H3C CO O CCH3CH3CH3 76 SKLF 13. C7H12O4: 1.3 (三 重 峰 , 6H), 3.4 (单 峰 , 2H) 4.2 (四 重 峰 , 4H)14. C 3H4O2: 3.6 (三 重 峰 , 2H), 4.3 (三 重 峰 , 2H) H 2C O CH 2CH 3OOOCH 3CH 2 H2C C OCH2O 77 SKLFH2C CH2CH2 15. C6H13NO2(酯

34、): 1.3 (三 重 峰 , 3H), 2.4 (单 峰 , 6H)3.2 (单 峰 , 2H) , 4.2 (四 重 峰 , 2H)16. C 9H10: 2.0 (四 重 峰 , 2H), 2.9 (三 重 峰 , 4H) 7.2 (单 峰 , 4H)COOCH3CH2 CH2 NCH3CH3 78 SKLF 17. C5H9BrO2: 1.2 (三 重 峰 , 3H), 2.9 (三 重 峰 , 2H) 3.5 (三 重 峰 , 2H), 4.0 (四 重 峰 , 2H)18. C 5H9BrO2: 1.3 (三 重 峰 , 3H), 1.8 (双 重 峰 , 3H), 4.3 (“五 重 峰 ”, 3H). (两 个 重 叠 的 四 重 峰 )COOBrCH2CH2 CH2CH3 COOCH3CH CH2CH3Br

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