CN111848424A - 一种含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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- C09K2211/00—Chemical nature of organic luminescent or tenebrescent compounds
- C09K2211/10—Non-macromolecular compounds
- C09K2211/1018—Heterocyclic compounds
- C09K2211/1025—Heterocyclic compounds characterised by ligands
- C09K2211/1029—Heterocyclic compounds characterised by ligands containing one nitrogen atom as the heteroatom
- C09K2211/1033—Heterocyclic compounds characterised by ligands containing one nitrogen atom as the heteroatom with oxygen
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C09K2211/1025—Heterocyclic compounds characterised by ligands
- C09K2211/1029—Heterocyclic compounds characterised by ligands containing one nitrogen atom as the heteroatom
- C09K2211/1037—Heterocyclic compounds characterised by ligands containing one nitrogen atom as the heteroatom with sulfur
Abstract
本发明公开一种含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料及其制备方法和应用。该材料主要特征是结构中含有三蝶烯基团，三蝶烯基团的存在提高了此类材料的热稳定性和成膜性，缩短了延迟荧光寿命。此类材料制备方法简单，光致发光量子效率高。将此类材料作为发光层中的客体分子应用于电致发光器件中，制备了具有低驱动电压、高效率、高亮度及低效率滚降的有机发光二极管。
Description
技术领域
本发明涉及有机电致发光器件中发光层材料的技术领域，特别是涉及一种含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料的制备方法及其应用。
背景技术
有机发光二极管凭借自发光、低驱动电压、快速响应、广视角以及超薄可弯曲等优势有望成为未来显示与照明领域中的佼佼者。发光材料作为有机发光二极管的核心部分主要分为三大类：荧光材料、磷光材料和热活化延迟荧光材料。其中第三代发光材料，热活化延迟荧光材料因存在较小的单重态和三重态能隙差(△EST)，可在室温下实现最低三重激发态反系间窜越至最低单重激发态，从而使得所制备的有机发光二极管的内量子效率达到100%。除此之外，热活化延迟荧光材料具有制备简单、不使用贵金属、光致发光量子效率高等优点，所以其在制备高效稳定可商业化的有机发光二极管方面表现出巨大的潜力（1.Hiroki Uoyama et al. Nature2012, 492, 234; 2. Takuji Hatakeyama et al.Advanced Materials 2016, 28, 2777; 3. Xun Tang et al. Nature Materials 2020.）。
目前，研究者们已经开发出了很多高效的热活化延迟荧光材料，并将其制备成有机发光二极管，但是大多数器件都在高电流密度下表现出严重的效率滚降（1. ShuzoHirata et al. Nature Materials 2014, 14, 330; 2. Nidhi Sharma et al. Chem. Sci. 2019, 10, 6689）。这种效率滚降主要是由发光材料较长的激发态寿命导致的，激发态的寿命较长将引发激子的湮灭过程，如三重态-三重态湮灭、单重态-三重态湮灭以及三重态-极子湮灭，从而降低激子浓度，从而直接导致器件效率极大地降低。目前人们缩短热活化延迟荧光材料激发态寿命的方法主要为通过分子设计进一步缩小△EST, 增强旋轨耦合作用，从而实现更加快速的反系间窜越过程。但是，由此设计合成的大部分热活化延迟荧光材料的激发态寿命仍然长于2微秒，因此，开发能够更加行之有效地缩短激发态寿命的分子设计策略是亟待解决的问题。
另外，发光材料的热稳定性和成膜质量是提高器件稳定性、延长器件工作寿命的两个关键因素（Chen-Han Chien et al. Advanced Functional Materials 2009, 19,560）。材料的高热稳定性能够防止在器件工作过程中材料的分解和结晶化；而高质量的薄膜有利于发光层与相邻功能层之间界面的保持，从而有助于电荷与空穴的传递。目前提高热活化延迟荧光材料热稳定性和成膜质量的方法主要是设计合成具有热活化延迟荧光性质的树枝状大分子和聚合物，但是，此类材料分子量大，难以真空蒸发，这给通过真空蒸镀法制备更加高效的器件带来了挑战。因此，设计合成兼具高热稳定性、高成膜质量和短激发态寿命的有机小分子热活化延迟荧光材料显得尤为重要。
发明内容
鉴于现有技术存在上述的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料。
本发明的另一个目的在于提供上述含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料的制备方法。
本发明的目的还在于提供上述含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料在有机发光二极管中的应用。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料，其特征在于，具有如下式（1）- 式（3）中的任一种化学结构：
其中，取代基D为下式（1）-式（5）所述的芳香胺类基团中的任一种：
式中，R为碳原子个数为1-16的直链或支链烷基。
一种含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备如下式a-式r 中任一种中间体：
（2）将步骤（1）中的中间体、芳香胺类化合物、碱以及催化剂加入到干燥的反应瓶中，用惰性气体抽换气三次，然后注入有机溶剂，搅拌均匀，加热回流反应，反应结束冷却至室温后加入蒸馏水，经萃取、干燥、过滤和旋蒸除去有机溶剂得到粗产物，再经过柱层析分离得到纯的目标化合物。
步骤（1）所述的制备具有式a-式r 结构的任一种中间体，具体为：
在空气中，将原料三蝶烯和氯化铝加入到二硫化碳中，将体系冷却至0℃后，缓慢加入4-溴-苯酰氯，加完后使体系逐渐升温至室温，然后加热至50-70℃回流反应12小时以上；反应结束后，向体系中加入碎冰终止反应，然后经萃取、干燥、过滤和旋蒸除去有机溶剂得到粗产物，再经过柱层析分离得到目标中间体；
所述氯化铝用量为三蝶烯用量的1.3倍；所述4-溴-苯酰氯用量与三蝶烯用量相同。
步骤（2）所述的加热回流反应，反应条件具体为：
a. 加热温度为90-100℃，反应时间为12-48小时；
b. 碱选自叔丁醇钠或碳酸铯中的任一种，用量为中间体用量的1.5-3倍；
c. 催化剂选自醋酸钯或三（叔丁基）膦四氟硼酸盐，用量为中间体用量的0.09-0.1倍;
d. 有机溶剂为甲苯或N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种。
步骤（2）所述的芳香胺类化合物下述式(1) -式 (5)所述的芳香胺类基团中的任一种，用量为中间体用量的1.2-4.5倍；
式中，R为碳原子个数为1-16的直链或支链烷基。
所述含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料在有机发光二极管中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明所述新颖的热活化延迟荧光材料引入三蝶烯基团作为分子骨架，在不扩大分子共轭的基础上，缩短了材料激发态的寿命。
（2）本发明所述的含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料为有机小分子材料，具有较高的热稳定性和较好的成膜性，通过旋涂法和真空蒸镀法均可形成高质量的薄膜。
（3）本发明所述的含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料作为发光层客体材料应用于有机发光二极管中取得了较好的效果，拓宽了有机光电材料的范围。
（4）本发明所述的含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料的制备方法简单，通过两步简单反应即可得到目标产物。
（5）本发明所述的含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料可通过改变连接的给体的种类调节材料的发光颜色，从而实现全光谱的发射。
附图说明
图1是本发明包含的一些较优实施例的分子结构式T1-T17的对照图；
图2是化合物T1, T2以及T5的晶体结构对照图；
图3是化合物T1, T2, T9以及T17的热重曲线；
图4是旋涂法制备的化合物T1, T2, T9以及T17薄膜的原子力显微镜照片，图中：a为T1薄膜的原子力显微镜照片，b为T2薄膜的原子力显微镜照片，c为T9薄膜的原子力显微镜照片，d为T17薄膜的原子力显微镜照片；
图5是真空蒸镀法制备的化合物T1掺杂薄膜的原子力显微镜照片；
图6是化合物T1, T2, T9以及T17在甲苯溶液中的紫外可见吸收和发射光谱；
图7是化合物T1, T2, T9以及T17掺杂薄膜的变温瞬态寿命光谱对照图；
图8是包含化合物T1的有机发光二极管的电流密度-电压-亮度曲线；
图9是包含化合物T1的有机发光二极管的亮度-外量子效率-功率效率-电流效率曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。需要说明的是：下述实施例不能作为对本发明保护范围的限制。任何在本发明基础上做出的改进都不违背本发明的创新精神。
实施例1
本实施例说明中间体a以及化合物T1和T2的制备：
中间体a的具体制备方法为：
空气中，将重蒸的二硫化碳倒入250ml的双口圆底烧瓶中，加入三蝶烯8 mmol以及无水氯化铝10.4 mmol，将混合物冷却至0℃后，缓慢加入4-溴-苯酰氯8 mmol，搅拌均匀，然后升温至室温，然后加热至50-70℃回流反应12小时。反应结束，停止加热并加入碎冰，待碎冰全部融化后，用二氯甲烷萃取三次，取有机相，有机相用无水硫酸钠干燥后，通过旋转蒸发仪出去有机溶剂，用硅胶柱进一步分离得到中间体a，产率46%。1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ7.84 (d, J = 1.7 Hz, 1H), 7.59 (s, 4H), 7.49-7.40 (m, 6H), 7.04 (dd, J = 5.5,3.2 Hz, 4H), 5.52 (d, J = 4.6 Hz, 2H)。
化合物T2的具体制备方法为：
在氮气氛围中，向反应瓶中注入70ml甲苯，然后依次加入质量为3mmol的反应中间体a,4.5 mmol吩噁嗪，0.3 mmol三（叔丁基）膦四氟硼酸盐，9 mmol叔丁醇钠，0.027 mmol醋酸钯，混合物在90-100℃回流反应24小时。反应结束，降至室温，加入饱和氯化钠溶液并用二氯甲烷萃取，有机相用无水硫酸钠干燥，过滤后，旋干有机溶剂，用硅胶柱进一步分离得到目标产物T2，产率89%。1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.97-7.92 (m, 3H), 7.51 (d, J =1.1 Hz, 2H), 7.47-7.42 (m, 6H), 7.07-7.02 (m, 4H), 6.74-6.60 (m, 6H), 5.98(dd, J = 7.8, 1.6 Hz, 2H), 5.55 (d, J = 6.6 Hz, 2H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ 195.37, 150.53, 146.06, 144.72, 144.25, 144.05, 142.84, 137.83, 134.36,133.86, 132.78, 130.83, 128.53, 125.68, 125.62, 124.91, 124.00, 123.52,123.36, 121.88, 115.77, 113.43, 54.20, 53.99。
化合物T1的具体制备方法为：
将化合物T2的制备方法中的吩噁嗪换成等当量的二甲基吖啶，其他原料和步骤均不变，经硅胶柱进一步分离得到化合物T1，产率86%。1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.02-7.95(m, 3H), 7.58-7.43 (m, 10H), 7.06-6.95 (m, 8H), 6.33 (dd, J = 8.0, 1.5 Hz,2H), 5.56 (d, J = 8.1 Hz, 2H), 1.70 (s, 6H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ195.58, 150.44, 146.02, 145.21, 144.76, 144.29, 140.56, 137.45, 134.53,132.68, 131.03, 130.58, 128.54, 126.50, 125.68, 125.61, 125.44, 124.97,124.01, 124.00, 123.52, 121.12, 114.36, 54.21, 54.00, 36.15, 31.22。
实施例2
本实施例说明中间体b和c以及化合物T9的制备：
中间体i和o的具体制备方法为：
空气中，将重蒸的二硫化碳倒入250ml的双口圆底烧瓶中，加入三蝶烯2 mmol以及无水氯化铝8 mmol，将混合物冷却至0℃后，缓慢加入4-溴-苯酰氯6 mmol，搅拌均匀，然后升温至室温，然后加热至50-70℃回流反应12小时。反应结束，停止加热并加入碎冰，待碎冰全部融化后，用二氯甲烷萃取三次，取有机相，有机相用无水硫酸钠干燥后，通过旋转蒸发仪出去有机溶剂，用硅胶柱进一步分离得到中间体i和o，产率分别为35%和47%。中间体i: 1HNMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.87 (s, 2H), 7.60 (s, 8H), 7.51-7.43 (m, 6H), 7.08(dd, J = 5.4, 3.2 Hz, 2H), 5.60 (s, 2H)。
中间体o: 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.92-7.86 (m, 3H), 7.61 (s, 12H),7.56-7.47 (m, 6H), 5.69 (d, J = 6.9 Hz, 2H)。
化合物T9的具体制备方法为：
在氮气氛围中，向反应瓶中注入20ml甲苯，然后依次加入质量为0.6 mmol的反应中间体b， 1.8 mmol二甲基吖啶， 0.12mmol三（叔丁基）膦四氟硼酸盐， 3.6mmol叔丁醇钠，0.11mmol醋酸钯，混合物在90-100℃回流反应24小时。反应结束，降至室温，加入饱和氯化钠溶液并用二氯甲烷萃取，有机相用无水硫酸钠干燥，过滤后，旋干有机溶剂，用硅胶柱进一步分离得到目标产物T9，产率为77%。1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ8.01 (d, J = 8.3 Hz,6H), 7.60 (t, J = 6.2 Hz, 4H), 7.53-7.41 (m, 10H), 7.11 (dd, J = 5.2, 3.2 Hz,2H), 7.06-6.94 (m, 8H), 6.33 (s, 4H), 5.70 (t, J = 7.3 Hz, 2H), 1.70 (s,12H). Anal.Calcd for C64H48N2O2: C, 87.64; H, 5.52; N, 3.19; O, 3.65. Found: C,87.35; H, 5.65; N, 3.04. HRMS (ESI, m/z) calcd for [C64H48N2NaO2] ([M+Na]+):899.3608, found: 899.3608。
实施例3
本实施例说明化合物T17的制备：
在氮气氛围中，向反应瓶中注入20ml甲苯，然后依次加入质量为0.7mmol的反应中间体c， 3.15 mmol二甲基吖啶， 0.21mmol三（叔丁基）膦四氟硼酸盐， 6.3mmol叔丁醇钠，0.189mmol醋酸钯，加热至90℃回流反应24小时。反应结束，降至室温，加入饱和氯化钠溶液并用二氯甲烷萃取，有机相用无水硫酸钠干燥，过滤后，旋干有机溶剂，用硅胶柱进一步分离得到目标产物T17，产率55%。1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.08-7.99 (m, 9H), 7.64(d, J = 7.3 Hz, 6H), 7.47 (dd, J = 6.9, 4.8 Hz, 12H), 7.03-6.94 (m, 12H),6.33 (d, J = 7.8 Hz, 6H), 5.85-5.78 (m, 2H), 1.69 (s, 18H). Anal.Calcd forC86H65N3O3: C, 86.91; H, 5.51; N, 3.54; O, 4.04. Found: C, 86.15; H, 5.63; N,3.22. HRMS (ESI, m/z) calcd for [C86H65N3NaO3] ([M+Na]+): 1188.5099, found:1188.5100。
实施例4
本实施例说明中间体d以及化合物T5和T8的制备：
中间体d的具体制备方法为：
空气中，将重蒸的二硫化碳注入250ml的双口圆底烧瓶中，加入三蝶烯8 mmol以及无水氯化铝10.4 mmol，将混合物冷却至0℃后，缓慢加入邻溴苯酰氯8 mmol，搅拌均匀，然后升温至室温，然后加热至50-70℃回流反应12小时。反应结束，停止加热并加入碎冰，待碎冰全部融化后，用二氯甲烷萃取三次，取有机相，有机相用无水硫酸钠干燥后，通过旋转蒸发仪出去有机溶剂，用硅胶柱进一步分离得到中间体d，产率43%。1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ7.92 (s, 1H), 7.53 -7.38 (m, 8H), 7.22 (d, J = 7.6 Hz, 1H), 7.14 (t, J = 9.2Hz, 1H), 7.05-6.99 (m, 4H), 5.51 (s, 2H)。
化合物T5的具体制备方法为：
氮气保护下，依次向反应瓶中加入1.5mmol中间体d， 1.7 mmol咔唑， 4.5 mmol碳酸铯，随后加入10ml N,N-二甲基甲酰胺作为反应溶剂，150-160℃下回流反应24小时。反应结束后，冷却至室温，加入蒸馏水，析出黄色沉淀，过滤取滤渣用二氯甲烷溶解，无水硫酸钠干燥，过滤除掉干燥剂后，旋干有机溶剂，经过硅胶柱进一步分离得到目标产物T5，产率57%。1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ 7.87 (ddd, J = 7.9, 6.1, 3.0 Hz, 1H), 7.75-7.69(m, 2H), 7.67-7.64 (m, 1H), 7.49 (dt, J = 7.7, 1.0 Hz, 2H), 7.37-7.34 (m,4H), 7.29 (ddd, J = 8.3, 7.2, 1.2 Hz, 2H), 7.13 (dd, J = 8.3, 0.9 Hz, 2H),7.08-6.97 (m, 7H), 6.91 (d, J = 7.6 Hz, 1H), 6.86 (dd, J = 7.6, 1.7 Hz, 1H),5.44 (s, 1H), 5.40 (s, 1H). 13C NMR (101 MHz, DMSO-d6) δ 195.65, 150.33,145.39, 145.13, 144.70, 141.10, 138.27, 135.62, 133.52, 133.25, 130.88,129.71, 129.25, 126.49, 126.34, 125.60, 125.57, 124.44, 124.30, 123.18,122.89, 122.77, 120.50, 120.24, 110.21, 52.83, 52.53。
化合物T8的具体制备方法为：
将化合物T5的具体制备方法中的咔唑换成等化学计量比的叔丁基咔唑，其他原料和步骤均不变，经硅胶柱进一步分离得到化合物T8，产率52%。1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ7.78-7.69 (m, 2H), 7.60-7.52 (m, 2H), 7.38-7.30 (m, 4H), 7.27 (s, 1H), 7.26-7.22 (m, 3H), 7.13 -7.08 (m, 2H), 7.03-6.96 (m, 5H), 6.71 (dd, J = 7.6, 1.7Hz, 1H), 6.52 (d, J = 7.6 Hz, 1H), 5.05 (d, J = 6.4 Hz, 2H), 1.43 (s, 18H).Anal.Calcd for C39H25NO: C, 88.78; H, 6.50; N, 2.20; O, 2.52. Found: C, 88.64;H, 6.56; N, 2.00。
下面是本发明化合物在有机发光二极管中的应用实例：
实施例5
将本发明的化合物作为客体材料制备的掺杂通用器件的结构如下：
ITO / MoO3 (1 nm) / TAPC (50 nm) / mCP (10 nm) / BCPO: 20 wt% emitter (30nm) / DPEPO (10 nm) / TmPyPB (30 nm) / LiF (1 nm) / Al (100 nm)，其中TAPC,TmPyPB, mCP, DPEPO 和 BCPO 分别作为空穴传输层、电子传输层、激子阻挡层、空穴阻挡层和主体材料。ITO为阳极，Al为阴极。
所用功能层材料的结构式如下：
器件的制备过程如下：
将带有阳极ITO的透明导电玻璃先后依次放在去离子水、丙酮和异丙醇中超声清洗各15分钟，然后在清洁的环境中用高流量的氩气吹干，再将其放入紫外臭氧机中处理15分钟。处理结束后，将其放入真空腔中，抽真空至1×10 -4 Pa，然后开始沉积各功能层，MoO3 和LiF的沉积速率控制在0.01 nm s-1，有机层的沉积速率控制在0.1-0.2 nm s-1，Al的沉积速率控制在3 nm s-1，最终得到本实施例的有机发光二极管。
本实施例中有机发光二极管的电流密度-电压-亮度曲线以及亮度-外量子效率-功率效率-电流效率曲线如下图7和图8所示，基本表征数据如表1所示。
表1. 包含化合物T1的有机发光二极管器件性能的测试结果
表注：λEL为器件的电致发射光谱中的最大发射波长；Von为器件的启亮电压；Lmax为器件的最大亮度；CE为器件的最大电流效率、亮度分别为100 cd m-2和1000 cd m-2时的电流效率；PE为器件的最大功率效率、亮度分别为100 cd m-2和1000 cd m-2时的功率效率；EQE为最大外量子效率、亮度分别为100 cd m-2和1000 cd m-2时的外量子效率；CIE1931为器件的色度坐标。
Claims (6)
1.一种含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料，其特征在于，具有如下式（1）- 式（3）中的任一种化学结构：
其中，取代基D为下下述式 (1) - 式 (5) 所述的芳香胺类基团中的任一种：
式中，R为碳原子个数为1-16的直链或支链烷基。
2.一种权利要求1所述的含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备如下式a-式r 中任一种中间体：
（2）将步骤（1）中的所述的任一中间体、芳香胺类化合物、碱以及催化剂加入到干燥的反应瓶中，用惰性气体抽换气三次，然后注入有机溶剂，搅拌均匀，加热回流反应，反应结束冷却至室温后加入蒸馏水，经萃取、干燥、过滤和旋蒸除去有机溶剂得到粗产物，再经过柱层析分离得到纯的目标化合物。
3.根据权利要求1所述的一种含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的制备具有式a-式r结构的任一种中间体，具体由下述方法制备的：
在空气中，将原料三蝶烯和氯化铝加入到二硫化碳中，将体系冷却至0℃后，缓慢加入4-溴-苯酰氯，加完后使体系逐渐升温至室温，然后加热至50-70℃回流反应12小时；反应结束后，向体系中加入碎冰终止反应，然后经萃取、干燥、过滤和旋蒸除去有机溶剂得到粗产物，再经过柱层析分离得到目标中间体；
所述氯化铝用量为三蝶烯用量的1.3倍；所述4-溴-苯酰氯用量与三蝶烯用量相同。
4.根据权利要求1所述的一种含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的加热回流反应，反应条件具体为：
a. 加热温度为90-100℃，反应时间为12-48小时；
b. 碱选自叔丁醇钠或碳酸铯中的任一种，用量为中间体用量的1.5-3倍；
c. 催化剂选自醋酸钯或三（叔丁基）膦四氟硼酸盐，用量为中间体用量的0.09-0.1倍;
d. 有机溶剂为甲苯或N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的芳香胺类化合物为下述式(1) -式 (5)所述的芳香胺类基团中的任一种，用量为中间体用量的1.2-4.5倍；
式中，R为碳原子个数为1-16的直链或支链烷基。
6.权利要求1中所述的任一种含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料在有机电致发光二极管中的应用。
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| CN202010774877.1A CN111848424A (zh) | 2020-08-05 | 2020-08-05 | 一种含三蝶烯基团的热活化延迟荧光材料及其制备方法和应用 |
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2020
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