90 F. Nerdel und H . Dahl Bd. 710

Liebigs Ann. Chern. 710, 90-97 (1967)

Diels-Alder-Reaktionen mit Terpenketonen

von Friedrich Nerdel und Helmut Dahl*)

Aus der Technischen Universitat Berlin, Lehrstuhl fur Theoretische Organische Chemie

Eingegangen am 23. Juni 1967

Carvon bildet rnit acyclischen Dienen Derivate des 9-Methyl-3-isopropenyl-A6-cis-octalons-(l) (3), die z. T. getrennt und sterisch zugeordnet werden. Pulegon ergibt Derivate des 5.5.9-Tri- methyl-spiro[5.5]undecen-(2)-ons-(7) (S), die ebenfalls in geometrischen Isomeren auftreten.

D ie C =C-Bindung im Cyclohexen-( 1)-on-(3) besitzt relativ geringe dienophile Eigenschaften.

So erfolgen Umsetzungen mit Butadien bzw. 2.3-Dimethyl-butadien erst oberhalb 185' bei 72stdg. Reaktionszeit 1 2 ) . Martin und Hill 3) vermuten, dal3 diese Reaktionstragheit durch die am C-6 aus der Ebene ragenden H-Atome bedingt ist, welche die Komplexbildung zwischen Dien und Dienophil storen. Die Umsetzung von 2-Methyl-cyclohexen-(l)-on-(3) rnit Butadien wird von rnehreren Autoren beschrieben4-7). Sie gibt in 11 -13-proz. Ausbeute 9-Methyl- A6-cis-octalon-( I ) (1). Auch Isopren 8 3 ) und 2.3-Dimethyl-butadien 8) wurden (z. T. bei 280") mit einer Ausbeute von maximal 29 % d.Th. urngesetzt.

1

*) H. Dabl, Diplomarbeit Techn. Univ. Berlin 1966. 1) P. D. Bartlett und G . F. Woods, J. Amer. chern. SOC. 62, 2933 (1940). 2) H. 0. House, W. F. Cannon, R. S. Ro und D. J . Wluka, J. Amer. chem. SOC. 82, 1463

3) H. G . Martin und R. K. Hill, Chern. Reviews 61, 540 (1961). 4) W. Nudenberg und L. W. Butr, J. Amer. chem. SOC. 65, 1436 (1943). 5 ) A . M . Gad& und L. W. Butz, J. Amer. chem. SOC. 69, 117 (1947). 6 ) W. G . Dauben, J. B. Rogan und E. J . Blanzjr., J. Amer. chem. SOC. 76, 6384 (1954). 7) I . N . Nazarow, L. I. Schmonina und 1. V. Torgow, [Ber. Akad. Wiss. UdSSR] 1953, 1074

8) I. N. Nazarow und G . P. Kugatowa, [Ber. Akad. Wiss. UdSSR] 1955, 480 [C. A. 50, 6405

9) I. N. Nazarow, S. N . Annnschenko und I. V . Torgow, [J. allg. Chem.] 26, 819 (1956) [C. A.

(1960).

[C. A. 49, 2452 (1955)l.

(1956)l.

50, 13845 (1956)l.

1967 Diels-Alder-Reaktionen mit Terpenketonen 91

Carvon Wir haben Carvon [2; 2-Methyl-5-isopropenyl-cyclohexen-(1)-on-(3)] mit Butadien,

Isopren oder 2.3-Dimethyl-butadien umgesetzt und die erhaltenen Produkte getrennt. Die einzelnen Isomeren wurden, soweit moglich, zugeordnet.

Bei der Reaktion von 2 mit Butadien (bzw. 2.3-Dimethyl-butadien), die zu 9-Methyl- 3-isopropenyl-A~-cis-octalon-(l) (3) [bzw. zu 6.7.9-Trimethyl-3-isopropenyl-A~-cis- octalon-(1) (4)] fiihren sollte, war mit dem Auftreten von je zwei Isomeren zu rechnen (3a, b und 4a, b), bei denen die Methyl- und die Isopropenyl-Gruppe cis- (a) bzw. trans-standig (b) angeordnet sind.

2 3 H H; 4: H = CH3

Fur die beiden Konfigurationen a und b lassen sich Konformations-Betrachtungen durchfuhren. Der Ring B ist in seiner Konformation durch die cis-Verkniipfung und die Doppelbindung weitgehend festgelegt. Er kann zwei nur wenig voneinander verschiedene, verzerrte Sesselformen annehmen. Eine Wannenform im Ring B er- fordert auch im Ring A eine Wannenform, was zur Haufung von ekliptischen Bin- dungen fiihren und damit unwahrscheinlich werden wiirde. Sicher sind aus den gleichen Griinden auch alle Konformationen rnit einer Wannenform im Ring A nur zu einem sehr geringen Anteil am Gleichgewicht beteiligt. Von den beiden iibrig bleibenden Konformationen mit Sessel-quasi-Sessel-Anordnung sollten die Formen a1 bzw. bl stark begiinstigt sein, da die Isopropenyl-Gruppe sicher bevorzugt aquatorial steht.

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In b2 behindern sich auBerdem Isopropenyl-Gruppe und Ring B. Somit verbleiben fur 3a bzw. 4a und 3b bzw. 4b die weitgehend festgelegten Konformationen a1 und bl, die sich in einer axialen (al) bzw. aquatorialen (bl) Methylgruppe unterscheiden.

Durch 60stdg. Erhitzen von 2 mit einem UberschuB an Butadien auf 180" wurde in 8-proz. Ausbeute 3 erhalten, das im Gaschromatogramm zwei peaks (1 : 2.9) zeigt, die den Isomeren 3a und b zugeordnet wurden. Die praparative Trennung gelang durch wiederholte Saulenchromatographie an Kieselgel. Die IR-Spektren beider Isomeren sind sehr ahnlich. So finden wir v(C=O) = 1705 cm-1, die zur C=C- Bindung im Ring B gehorenden Schwingungen bei 3020 und 655 cm-1 und die zur Isopropenylgruppe gehorenden bei 3065 und 890 (3a) bzw. 900 cm-1 (3b).

b

4 5 6 7 8 1 9 4 5 6 I 8 1 9 [L128/67.a-bl

Abbildung 1. NMR-Spektren von a) cis- und b) trans-9-Methyl-3-isopropenyl-A6-cis-octalon-(l) (3a bzw. 3b)

Die aus den sterischen Verhaltnissen getroffene Zuordnung der Isomeren (3b wird uberwiegen, da drei der vier Substituenten in der vorherrschenden Konformation aqua- torial stehen) wird durch die NMR-Spektren (Abb. 1) unterstutzt. Im NMR-Spektrum des zum Vergleich dargestellten6) 1 erscheinen die Signale der angularen Methylgruppe als Singulett bei 8.97, die der beiden olefinischen Protonen als Tripletts bei 4.55 und 4.61 7 (J = 1.5 Hz). Die Signale dieser Protonen erscheinen in 3a als Tripletts bei 4.40 und 4.46 r , in 3b als ein Triplett bei 4.48 T. Die Lage der angularen Methylgruppe (8.96 T bei 3a und 8.88 T bei 3b) ist jedoch deutlich verschieden, wobei dieses Signal wegen des scharfen Singulett-Charakters gut reproduzierbar ist. Nun liegen aber in der Konformation 3bl Methyl- und Carbonyl-Gruppe in einer Ebene, was Ent- schirmung und damit Verschiebung des r-Wertes der Methyl-Protonen nach niederem Feld bewirkt. In der Konformation 3al sollte dagegen eine gewisse Abschirmung der Methyl- durch die Carbonyl-Gruppe stattfinden, da beide Substituenten einen Winkel von etwa 135" bilden. Auffallig ist ferner, daB die Signale der olefinischen Protonen

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der Isopropenylgruppe in 3a als Dublett bei 5.33 T (J = 1 Hz), in 3b aber als zwei verbreiterte Singuletts bei 5.24 und 5.33 T erscheinen. Wir nehmen an, daR die vor- herrschende Konformation 3al doch zu einern gewissen Teil noch urnklappen kann, so daI3 ein mittleres Signal gefunden wird, 3bl aber die einzige Konforrnation ist, 'weshalb die beiden Protonen eine diskrete Lage einnehmen.

Die analoge Umsetzung von 2 mit 2.3-Dimethyl-butadien (60 Stdn. bei 185') ergab in 20-proz. Ausbeute 4, das im Gaschromatogramm ebenfalls das Isomerenverhaltnis 1 : 2.9 zeigte. Durch partielle Kristallisation bei tiefer Temperatur wurde 4b rein isoliert. Aus der Mutterlauge (Verhaltnis 4a: 4b etwa 1 : 1) lieB sich 4a praparativ gaschromatographisch ebenfalls rein gewinnen.

Bei eicer Reaktionstemperatur von 150" betrug die Ausbeute nur 4 % d. Th. an 4 mit gleichem Isomerenverhaltnis (1 : 2.9). Bei 210" wurden neben 18% d.Th. 4 (Isomeren- verhaltnis 1 : 2.1) 6 % d. Th. 3-Isopropyl-6.7.9-trimethyl-A*.6-hexalon-(l) (5) erhalten. Das bedeutet, daR bei dieser Temperatur eine teilweise Wanderung der Doppelbindung in Konjugation zur C =0-Gruppe eingetreten ist. 5 besitzt im UV-Spektrum ein Maximum bei 233 nm, die v(C=O)-Schwingung findet sich bei 1660 cm-1. Einen weiteren Strukturbeweis liefert das NMR-Spektrum. Die Signale der Methyl- Protonen der Isopropylgruppe erscheinen als Dublett bei 8.90 T mit einer Kopplungs- konstante von 6.5 Hz; das eine olefinische Proton liefert ein gespaltenes Signal bei 4.40 T. Alle anderen Protonen ergeben Signale bei den erwarteten r-Werten.

Die IR- und NMR-Spektren von 4a und b sind denen von 3a und b sehr ahnlich. So geben die angularen Methylgruppen Singuletts bei 8.97 (4a) bzw. 8.89 T (4b). Die Signale der olefinischen Protonen der Isopropenylgruppe in 4a erscheinen wieder als Dublett bei 5.36 7 (J = 1 Hz) und die in 4b als verbreiterte Singuletts bei 5.24 und 5.34 T.

Die Ubereinstimmung der Signale der a- bzw. b-Isomeren von 3 und 4 kehrt auch in den NMR-Spektren der 2.4-Dinitro-phenylhydrazone von 3 und 4 wieder, wobei erwartungs- gemaR viele r-Werte nach niederem Feld verschoben sind.

Bei der Umsetzung von 2 mit Zsopren waren 4 Isomere zu erwarten, da neben der Konfigurationsisomerie noch eine Stellungsisomerie der Methylgruppe (6- oder 7-Stellung) moglich ist. Das in 7-proz. Ausbeute entstandene Isomerengemisch lieR sich gaschromatographisch in 4 peaks (Verhaltnis 1 : 1 : 3 : 3) auftrennen, was bedeutet, daI3 6 und 6' in etwa gleichen Anteilen entstehen und ihr Isomerenverhaltnis a : b ahnlich dem von 3 und 4 ist.

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Die praparative Trennung der Isomeren und damit die Zuordnung von 6 und 6' gelang nicht. Im NMR-Spektrum des Gemisches fanden sich die Singuletts der angularen Methyl- gruppe bei 8.90, 8.92 und 9.00 T.

P u 1 ego n Bei der Reaktion von Pulegon (7) mit Buiadien wurde nach 60stdg. Erhitzen auf

190" in 2.5-proz. Ausbeute 5.5.9-Trimethyl-spiro[5.5]undecen-(2)-on-(7) (8) als Iso- merengemisch (1 : 2) erhalten. Die praparative Trennung der Isorneren (8a und b) gelang gaschromatographisch.

8: R 5 H; 9: R = CH3

In Analogie zu den Carvon-Addukten ordnen wir dem in groRerer Menge entstandenen Isorneren 8b die aquatoriale, 8a die axiale Methylgruppe zu. Konformative Betrachtungen sind hier unsicher, weil das System weniger starr ist als bei 3 und 4. Es ist jedoch sicher, dal3 die Bindung C-5-C-11 aquatorial zum Ring A sein muB, da C-5 im Substitutionsgrad einer tert. Butylgruppe entspricht. Die NMR-Spektren gestatten keine Zuordnung von 8a und b, da die Unterschiede in den chemischen Verschiebungen sehr gering sind.

Die Umsetzung von 7 mit 2.3-Dimethyl-butadien unter gleichen Bedingungen ergab 20% d.Th. an 9, dessen Isomere (Verhaltnis 1 : 2) durch praparative Gaschromato- graphie getrennt werden. Die NMR-Spektren von 9a und b gestatten, wie bei 8a und b, keine Zuordnung.

Wir danken der Gesellschaft der Freunde der TU Berlin und dem ERP-Sondervermogen fur die materielle Unterstiitzung bei der Durchfiihrung dieser Arbeit.

1967 Diels-Alder-Reaktionen rnit Terpenketonen 95

Beschreibung der Versuche Die Schmelzpunkte wurden rnit einern Mettler-Gerat FP I bestimmt. - Die IR-Spektren

wurden rnit einern Gerat Perkin-Elmer 125 in CC14, das UV-Spektrum wurde rnit einem Gerat Beckman D K 2 A in Methanol gernessen. NMR-Spektren wurden rnit einem Varian A 60 in CC14 (Tetramethylsilan als innerer Standard) aufgenommen. - Gaschromatogra- phische Trennungen wurden im analytischen MaRstab an einem Gerat Perkin-Elmer F 6 auf 25-m-Kapillarsaulen (Polypropylenglykol und Polyphenylather) rnit Flammenionisations- detektor durchgefiihrt; praparativ wurde mit einem Wilkens Autoprep A-700 auf SE 30 bzw. Carbowax-20-M-Saulen getrennt. Die Substanzen wurden dazu mit wenig Ather verdiinnt und in Anteilen von etwa 0.1 ccm eingespritzt. Da in den meisten Fallen die Peaks sehr dicht lagen, muRte verlustreich geschnitten werden, um saubere Trennungen zu erreichen.

Allgenieine Vorschrift fur die Diels-Alder-Reaktionen: Keton und Dien (im UberschuB) wurden unter Zusatz von etwas Hydrochinon 60 Stdn. im Bombenrohr erhitzt. Danach wurden die leichtfliichtigen Anteile bis 90"/12 Torr abgezogen, der Riickstand irn Kugelrohr bis 180" (Bad)/0.5 Torr destilliert und die Destillate entweder durch praparative Gaschromato- graphie oder durch Saulenchromatographie an Kieselgel (Elution rnit Petrolather unter Zusatz von steigenden Mengen Benzol) getrennt.

9-Methyl-A~-cis-octulon-(l) (1). - Die Darstellung nach Lit.5) ergab eine Substanz vom Sdp.o.3 50-56" (Lit.5) Sdp.o.4 58 -65"). Reinigung erfolgte durch praparative Gaschromato- graphie rnit einer SE-30-Saule bei 250". - Caschromatogramm: 7.2 Min.; 150", 25-m-Poly- phenylather-Saule, 0.6at He. - NMR-Spektrum: 4.55 (t, J = 1.5 Hz; l), 4.61 (t, J = 1.5Hz; I) , 7.4-8.7 (m; 11), 8.97 T (s; 3).

9-Methyl-3-isopropenyl-A~-cis-octulon-(l) (3). ~- Aus 9.0 g (0.06 Mol) 2 und 6.5 g (0.12 Mol) Butadien entstanden bei 180-190" 0.98 g (8%) vom Sdp.o.5 100" (Bad). - Gaschromato- grumm: 8.9 und 9.4 Min.; 170", 25-m-Polypropylenglykol-Saule, 0.8 at He. - Die Trennung der Isorneren erfolgte durch zweimalige Saulenchromatographie, wobei zuerst 3a und danach 3 b eluiert wurde.

Isomeres 3a: IR: 3065, 3020, 1705, 890, 655 cm--l. - N M R : 4.40 (t, J = 1.5 Hz; l ) , 4.46 (t, J =

1.5 Hz; l), 5.33 (d, J = 1 Hz; 2), 7.3-8.6 (m; lo), 8.28 (t, J = I Hz; 3), 8.96 T (s; 3). C14H20O (204.3) Ber. C 82.30 H 9.87 Gef. C 82.00 H 9.75

2.4-Dinitro-phenylhydruzon: Schrnp. 137.2" (aus Methanol/Essigester). - N M R : - 1.08 (s; l ) , 1.1-2 .2(m;3) ,4 .38(s ;2) ,5 .9(~;2) ,7 .1-8 .4(m; 10 ) ,8 .18 ( s ,b re i t ; 3 ) ,8 .69~(~ ;3 ) .

C20H24N404 (384.4) Ber. C 62.49 H 6.29 N 14.57 Gef. C 62.05 H 6.26 N 14.67

lsomeres 3 b : Es erstarrt unterhalb -20". - IR: 3065, 3020, 1705, 900, 655 cm-1. - N M R : 4.48 (t, J = 1.5 Hz; 2), 5.24 (s, breit: I), 5.33 (s, breit; I) , 7.3-8.7 (rn; lo), 8.28 ( 5 , breit; 3), 8.88 T (s; 3).

2.4-Dinitro-phenylhydruzon: Schmp. 138.5" (aus Methanol); Misch-Schmp. rnit dern 2.4-Di- nitro-phenylhydrazon von 3 a 1OO- l lo" . - Gef. C 62.70 H 6.33 N 14.51. - NMR: - 1.14 (s: I), 1.1 -2.2 (m: 3), 4.40 (s, breit; 2), 5.20 (s: I) , 5.36 (s: I), 7.1 -8.4 (m; lo), 8.20 (s, breit: 3), 8.67 T (s; 3).

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6.7.9-Trimethyl-3-isopropeiiyl-A~-cis-octalon-(l) (4). - Es wird aus 7.5 g (0.05 Mol) 2 und 8.2 g (0.1 Mol) 2.3-Dimethyl-butadien bei 185" dargestellt; nach Chromatographie 2.4 g (20%) 4 vom Sdp.1 138- 145". - Gaschromatograrnm: 9.7 und 10.1 Min.; 170", 25-m-Polyphenyl- ather-Saule, 0.7 at He.

C16H240 (232.4) Ber. C 82.70 H 10.41 Gef. C 82.70 H 10.37

Isomeres 4 b: Es kristallisierte bei mehrtagigem Stehenlassen des mit wenig Ather versetzten Isomerengemisches bei -20" aus; Schmp. 59.2" (aus Ather). - Gef. C 82.31 H 10.37. - IR: 3065, 1710, 900cm-1. - NMR: 5.24 (s, breit; I), 5.34 (s, breit; 1) 7.4-8.7 (m; lo), 8.25 (s, breit; 3), 8.41 (s; 3), 8.43 (s; 3), 8.89 T (s; 3).

2.4-Dinitro-phenylhydrazon: Schmp. 146.1" (aus Methanol).--NMR:-1.10 (s; l), 1.1 -2.3 (m; 3), 5.21 (s, breit; l), 5.33 (s, breit; I ) , 7.2-8.1 (m; lo), 8.20 (s; 3), 8.33 (s; 3), 8.42 ( s ; 3), 8.72 T (s; 3).

C22H28N404 (412.5) Ber. C 64.06 H 6.84 N 13.50 Gef. C 63.65 H 6.79 N 13.15

Isomeres 4a: Nach Abtrennung von 4b bis zum Verhaltnis 1 : 1 tritt 4a bei der praparativen Gaschromatographie (SE-30-Saule, 205") zuerst aus. Schmp. 10" (aus Athanol); Sdp.o.03 85 bis 90". - Gef. C 82.88 H 10.57. - IR: 3065, 1705, 890 cm-1. - NMR: 5.36 (d, J = 1 Hz; 2), 7.5-8.8 (m; lo), 8.24 (t, J = 1.5 Hz; 3), 8.35 (s; 6), 8.97 T (s; 3).

2.4-Dinitro-phenylhydrazon: Schmp. 166.3" (aus Methanol/Essigester). - Gef. C 64.05 H6.80N 13.39. -NMR:-11.17(s; 1),0.9-2.8(m;3),5.22(d,J=I Hz;2),7.1-8.0(m;lO), 8.23 (t, J = 1 Hz; 3), 8.38 (s, breit; 6), 8.71 T (s; 3).

6.7.9-TrimethyI-3-isopropyl-d2.6-hexalon-(l) (5). - Analog der Darstellung von 4, jedoch bei 210". Man erhalt 5 bei der praparativen gaschromatographischen Trennung als zuletzt aus- tretende Fraktion. - IR: 1660 cm-1. - UV: 233 nm. - NMR: 4.40 (t, J = 1 Hz; I), 7.64 (q, J = 6.5 Hz; I), 7.7-8.7 (m; 7), 8.43 (t, J = 1 Hz; 6), 8.90 (d, J = 6.5 Hz; 6), 8.94 T (s; 3).

6.9(und 7.9)-Dimethyl-3-isopropenyl-A6-cis-octalon-(l) (6 + 6'). - Aus 15.0 g (0.1 Mol) 2 und 13.6 g (0.2 Mol) Isopren bei 185-190" werden, nach Chromatographie, 1.5 g (7 %) vom Sdp.o.5 120" (Kugelrohr) erhalten. - Gaschromatograrnm: 22.4, 24.2, 24.4 und 26.0 Min. ; 140", 25-m-Polypropylenglykol-Saule, 0.5 at He. - IR: 3070, 3010, 1705, 900-890 cm-1. - NMR:4.8(m;1),5.28(~),5.34(d,J= 1 Hz),5.38(s,breit),7.4-8.7(m),8.30(t,J= 1Hz;3) , 8.38 (d, J = 1.5 Hz; 3), 8.90 (s), 8.92 (s), 9.00 T ( s ) .

C15H220 (218.3) Ber. C 82.52 H 10.16 Gef. C 82.03 H 10.17

5.5.9-Triniethyl-spiro[5.51undecen-(2)-ot~-(7) (8). - Aus 15.2 g (0.1 Mol) 7 und 10.8 g (0.2 Mol) Butadien bei 190" werden, nach Chromatographie, 0.51 g (2.5 %) Isomerengemisch 8 erhalten (Gaschromatogramm: 9.3 und 9.9 Min. ; 160", 25-m-Polyphenylather-Saule, 0.7 at He), das durch praparative Gaschromatographie auf einer Carbowax-20-M-Saule bei 235" getrennt wurde, wobei 8a vor 8b austrat.

Isomeres 8a: IR: 3020, 1700, 1655, 655 cm-l. - NMR: 4.42 (s, breit; 2), 7.4-8.5 (m; I l ) , 8.98 (s; 3), 9.00 (d, J = 6 Hz; 3), 9.03 T (s; 3).

Ber. C 81.50 H 10.75 Gef. C 80.97 H 10.71 Isomeres 8b: Gef. C 80.82 H 10.81. - IR: 3020, 1700, 1655, 655 cm-1. - NMR: 4.44 (d, J = 2 Hz; 2), 7.6-8.5 (m; II) , 8.95 (s; 3), 9.03 (d, J = 6 Hz; 3), 9.08 T (s; 3).

C14H22O (206.3)

1967 Diels-Alder-Reaktionen mit Terpenketoneri 97

2.3.5.5.9-PentamethyI-spiro[5.5/undecen-(2)-on-(7) (9). - Aus 15.2 g (0.1 Mol) 7 und 16.4 g (0.2 Mol) 2.3-Dimethyl-butadien erhalt man bei 190" und nach Chromatographie 4.75 g (20%) 9 als Gemisch von 2 Isomeren (Gaschromatogramm: 10.7 und 11.2 Min.; 170", 25-m-Polyphenylather-Saule, 0.7 at He), die durch wiederholte Saulenchromatographie oder durch praparative Gaschromatographie auf einer Carbowax-20-M-Saule bei 245" als zuerst austretendes 93 und als 9 b erkannt wurden.

Zsomeres9a: ZR: 1705 cm-1. - NMR: 7.3-8.6 (m; l l ) , 8.44 (s, breit; 6), 9.02 (d, J = 5.5 Hz; 3), 9.04 (s; 3), 9.09 T (s; 3).

C16H260 (234.4) Ber. C 81.99 H 11.18 Gef. C 82.02 H 11.45

Zsomeres 9 b : Gef. C82.13 H 11.31. - ZR: 1705 cm-1. - NMR: 7.3-8.6 (m; l l ) , 8.42 ( s ; 3), 8.45 (s; 3), 9.00 (s; 3), 9.01 (d, J = 5.5 Hz; 3), 9.13 T (s; 3).

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