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Cette thèse porte sur le développement d'un appareil couplant la spectrométrie de masse avec la spectrométrie de mobilité ionique et la spectroscopie laser, dans le but d'effectuer des analyses conformationnelles sur des édifices biomoléculaires. La construction, la mise au point et l'optimisation de l'appareil font l'objet de la première partie de ce mémoire. En particulier, il s'est agi de déterminer les caractéristiques de l'appareil (résolution, fréquence de fonctionnement…) par une série de tests sur des systèmes modèles. Dans un deuxième temps, nous avons effectué des mesures de spectroscopie d'action sur des conformères sélectionnés en mobilité. Nous avons étudié la relation entre la conformation et les propriétés optiques d'un système en mesurant le photo-détachement d'électron de divers conformères sélectionnés. Dans le cadre de la spectroscopie d'action, nous avons utilisé les possibilités nouvelles offertes par l'appareil pour réaliser des expériences de photo-isomérisation cis-trans sur des complexes non-covalents. Sur cet exemple, nous avons montré l'intérêt de cet appareil pour mesurer des spectres d'action de photo-isomérisation. Et enfin, nous avons montré la possibilité de réaliser des mesures de spectroscopie d'action basée sur le Transfert d'Energie par Résonance de Förster (FRET), en phase gazeuse, résolu en conformation / This thesis deals with the development of a new instrument coupling mass spectrometry, ion mobility spectrometry and laser spectroscopy. The aim is to perform structural analysis on biomolecular systems.The first part of this thesis focuses on the construction, the development and the optimization of the set-up. The main point was to determine the features of the set-up (resolution, working frequency) by series of tests with model systems.In a second phase, we did conformer resolved action spectroscopy. We studied the relation between the conformation and the optical properties of one system by measuring photo- electron detachment on different selected conformers. In the framework of action spectroscopy we used the new capacity of the set-up to perform cis-trans photo-isomerization on non-covalent complexes. We showed with this example interest of the use of this instrument to measure photo-isomerization action spectra. We finally showed the possibility to perform conformer resolved action spectroscopy measurements based on Förster Resonance Energy Transfer (FRET) in the gas phase

Les techniques de spectroscopie femtoseconde permettent d’étudier les processus de conversion d’énergie dans les système organiques. Elles permettent d’étudier les populations photo-générées et leur évolution à l’échelle de ces photoréactions. Elles permettent de comprendre les transferts d’énergie et de charge intra- et inter-moléculaires à l’origine du fonctionnement de ces systèmes.La protéine de rétinal Anabaena sensroy Rhodopsin est un photocommutateur naturel, qui est étudié afin de comprendre les paramètres à l’origine de l’efficacité quantique d’isomérisation. Nous avons pu déterminer cette efficacité quantique pour les deux formes stables du rétinal ainsi que leur dynamique d’isomérisation dans les mêmes conditions expérimentales.La génération de charge dans des couches actives pour le photovoltaique organique est étudiée dans un système composé d’un mélange de PCBM et d’un donneur organique dérivé du colorant BODIPY. L’influence de la nanostructuration de la couche active sur la génération de charge est étudiée. La génération de charge est limitée dans ce système par la recombinaison des charges générées et par la diffusion des excition aux interfaces donneur-accepteur. Ces observations indiquent que l’amélioration de la nanostructuration de la couche active peut permettre d’augmenter les rendements de photo-génération de charge. / Femtosecond transient spectroscopies are used to investigate photonic energy conversion inorganic systems. These techniques allow to observe the ground and excited states of themolecules at the timescale of the photoreactions. It is used to understand the inter- andintramolecular energy and charge transfers leading to the desired photochemical process.The natural photoswiching retinal protein Anabaena sensory Rhodopsin is studied to understand the key parameters ruling the isomerisation quantum yield. We could determine the isomerisation quantum yield of both stable forms and their dynamics in the very same experimental conditions.Charge generation is investigated in small molecule bulk heterojunction active layers for organic solar cells made of PCBM and a BODIPY dye-derivative donor. The influence of the active layer morphology on charge generation is studied. The charge generation is limited by charge recombination but also by exciton diffusion to the donor-acceptor interface. The active layer morphology has to be improved to achieve more efficient organic solar cells with these materials.

Les switches multimodulables sont des systèmes qui, sous l'action d'un ou de plusieurs stimuli extérieurs, donnent naissance à un ensemble d'états aux propriétés physico-chimiques différentes. Au cours de cette thèse, plusieurs voies de synthèse permettant l'obtention d'une nouvelle famille de biphotochromes organiques constitués d'un dithiényléthène relié à une indolino[2,1-b]oxazolidine ont été mises au point. Les dithiényléthènes préparés présentent d'excellentes performances photochromiques et s'interconvertissent de façon réversible entre deux états stables thermiquement. Les 10-styryl-indolino[2,1-b]oxazolidines sont des molécules acidochromiques et doublement photochromiques par ouverture du cycle oxazolidine ou isomérisation de la double liaison. Ce système moléculaire compte jusqu'à huit états multicolores aux propriétés physico-chimiques différentes, accessibles par irradiations lumineuses et variation de l'acidité. Les propriétés ont été étudiées en solution et en matrice polymère, tous les états des biphotochromes étant caractérisés par spectroscopie d'absorption électronique et RMN. Cette thèse a été l'occasion de développer le premier système multimodulable incorporant huit états différents au sein d'une même molécule. / Multi-addressable switches are systems that give rise to a set of states with different physical-chemical properties upon the effect at least one external stimulus. During this thesis, several synthetic routes to a new family of organic biphotochromes composed of a dithienylethene linked to an indolino[2,1-b]oxazolidine have been developed. Synthesized dithienylethenes exhibit excellent photochromic properties and can be reversibly photoswitched between two thermally stable states. 10-styryl-indolino[2,1-b]oxazolidines are acidochromic molecules and photochromic by opening of the oxazolidine ring or cis/trans isomerization of the double bond. This molecular system exhibits up to eight multicoloured states with different physical-chemical properties, interchangeable by different sequences of light irradiation and pH variation steps. Properties were studied in solution and in a polymer matrix and all biphotochromes states have been characterised by electronic absorption spectroscopy and NMR. Additionally, the first multi-addressable system incorporating eight different states within the same molecule is described.

Cette thèse s’articule autour de deux grands axes indépendants. Le premier s’aligne sur les intérêts du groupe Collins pour la photocatalyse avec des complexes à base de cuivre. La photocatalyse apparait comme une branche de la chimie permettant de débloquer des réactivités difficilement accessibles par la chimie thermique. Si la majorité des réactions photocatalysées utilise des catalyseurs à base de ruthénium ou d’iridium, les complexes de cuivre(I) sont une alternative digne d’intérêt. Cependant, une connaissance plus profonde de la relation structure/activité de ces complexes est encore nécessaire. Cette thèse tentera donc d’apporter des éléments de réponse à cette problématique, en particulier pour les complexes de cuivre(I) hétéroleptiques, possédant un ligand diimine et un ligand diphosphine. Le premier chapitre présente le concept de la photocatalyse et les caractéristiques des photocatalyseurs de cuivre. Une sélection d’exemples de réactions photocatalysées par des complexes de cuivre permet d’établir l’état de l’art pour différents types de mécanismes. Le chapitre 2 présente l’étude de ligands diimine possédant un système π-étendu dans des complexes. Les complexes correspondants ont été étudiés dans trois réactions passant par des voies mécanistiques différentes. Si les complexes sont actifs pour les réactions de transfert d’électrons et d’énergie, ils ne possèdent pas une efficacité supérieure aux complexes précédemment reportés. Le chapitre 3 est une extension du chapitre 2. En effet, les ligands possédant un système π-étendu précédemment reportés ont été modifiés pour pouvoir former des complexes de cuivre avec la diphosphine BINAP. Les nouveaux complexes ont de nouveau été étudiés dans les trois réactions différentes, mais leur activité est semblable à celle des complexes reportés dans le chapitre 2. Les complexes ont aussi été étudiés pour leur activité anticancéreuse, et des résultats prometteurs ont été découverts. Le chapitre 4 résume l’étude d’une bibliothèque étendue de complexes de cuivre(I) pour l’isomérisation d’alcènes E→Z. L’efficacité des complexes dans la réaction est reliée à leurs propriétés photophysiques. Un complexe optimal a été trouvé, et utilisé pour isomériser une série de 25 alcènes différents. L’utilisation de la chimie en flux continu a aussi permis la mise en échelle de la réaction. Enfin un procédé séquentiel ATRA/PI a permis la formation d’alcènes tri- et tétra-substitués à partir d’alcynes et de chlorures de sulfonyles. Le deuxième axe de cette thèse se base sur le développement de diynes-1,3 pour leur utilisation dans les réactions de « click » promues par la tension. Le chapitre 6 introduit les concepts de chimie « click » et de cycloaddition alcyne-azoture promue par la tension (SPAAC), et l’état de l’art des diynes-1,3 et des alcynes tendus. Le chapitre 7 présente donc le développement d’une nouvelle classe de diynes-1,3 tendus pour la réaction de SPAAC. La vitesse de la réaction est étudiée et des calculs computationnels viennent corroborer la réactivité observée. Un diyne-1,3 , 3,5-TPDY, a été utilisé dans une application de bioligation, et son utilisation dans une réaction de « click » avec une hydrazine a été montrée. / The thesis is structured around two independent themes. The first concerns the Collins Group's interest in copper-based complexes for photocatalysis. Photocatalysis is a branch of chemistry that aims to unlock reactivities that are difficult to access through thermally-promoted chemistry. While the majority of photocatalytic reactions use ruthenium- or iridium-based catalysts, copper(I) complexes are a valuable alternative, but a deeper understanding of the structure/activity relationship of the complexes is still required. The thesis will describe work to gain a better understanding of the reactivities and behavior of heteroleptic copper(I) complexes possessing a diimine ligand and a diphosphine ligand. The first chapter introduces the concept of photocatalysis and the characteristics of copper-based photocatalysts. A selection of examples of reactions photocatalyzed by copper complexes establishes the state of the art for different types of mechanisms. Chapter 2 presents the study of diimine ligands possessing a π-extended system in copper-based complexes. The corresponding complexes have been studied in 3 different photochemical reactions proceeding through different mechanistic pathways. While the complexes are active in electron and energy transfer reactions, they are not more efficient than previously reported complexes. Chapter 3 is an extension of Chapter 2, in which the π-extended ligands previously reported are modified to form copper complexes with the diphosphine, BINAP. The new complexes are again studied in the 3 different reactions, but their activity is similar to that of the complexes reported in chapter 2. The complexes are also being studied for their anticancer activity, and promising results have been uncovered. Chapter 4 summarizes the study of an extensive library of copper(I)-based complexes for the E→Z isomerization of alkenes. The efficiency of the complexes in the reaction is compared with their photophysical data. An optimal complex is found and used to isomerize a series of 25 different alkenes. The use of continuous flow chemistry also enabled the reactions to be scaled up. Finally, a sequential ATRA/PI process enabled the formation of tri- and tetra-substituted alkenes from alkynes and sulfonyl chlorides. The second theme of the thesis is based on the development of 1,3-diynes for use in strain-promoted "click" reactions. Chapter 6 introduces the concepts of click chemistry and SPAAC, and the state of the art of 1,3-diynes and strained alkynes. Chapter 7 presents the development of a new class of strained 1,3-diynes for the SPAAC reaction called TPDYs. The reaction rates are studied and computational calculations corroborate the observed reactivity. A 1,3-diyne, 3,5-TPDY, is applied to a bioligation process, and its use in a potential new "click" reaction with a hydrazine is shown.

La séparation des C8 aromatiques par Lit Mobile Simulé (LMS) permet d'obtenir du paraxylène (PX) pur. Les autres composés du mélange sont recyclés dans un réacteur afin d'être isomérisés puis séparés à nouveau. La charge du LMS est composée à environ 75% par ce flux de recyclage. L'intégration de la réaction dans le LMS, réalisée en intercalant des réacteurs d'isomérisation entre les lits d'adsorbant de la zone 3 (procédé LMS Réactif, LMSR), doit permettre une réduction de ce flux de recyclage.L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie d'étude des procédés de type Lit Mobile Simulé (LMS) et Lit Mobile Simulé Réactif (LMSR) basée sur :-un outil expérimental simplifié : le pilote One-column réactif (OCR)-des simulateurs One-column réactif ou non qui seront validés par les résultats expérimentaux du pilote-des simulateurs LMS et LMSR permettant d'accéder aux résultats des procédés industriels.Les simulations de One-column (OC) montrent une bonne sensibilité aux paramètres clés de la séparation des C8 aromatiques (sélectivité PX/EB et diffusion intracristalline). Les résultats expérimentaux font ressortir des difficultés importantes à mettre en œuvre le OC expérimentalement. Plusieurs hypothèses sont exposées pour expliquer les résultats obtenus mais les difficultés rencontrées limitent, en l'état, l'utilisation du pilote pour l'étude de la séparation (réactive ou non) des C8 aromatiques.L'étude du LMSR effectuée par simulation montre l'importance du nombre et de l'emplacement des réacteurs ainsi que de l'intégration du LMSR dans la boucle de production de PX. L'usage du LMSR pour la production de PX permet une réduction importante du débit de recyclage / Today, pure paraxylene (PX) is mainly obtained from a mix of C8 aromatics by a separation process based on adsorption: the Simulated Moving Bed (SMB). The other components of the blend are sent to an isomerisation reactor and are recycled to the SMB. 75% of the SMB feed flow rate come from this recycle flow. Coupling reaction and separation by inserting isomerisation reactors between the adsorption beds of the third zone (Simulated Moving Bed Reactor, SMBR) should allow a reduction of this recycling flow rate.The main objective of this thesis is to develop a new methodology for studying SMB and SMBR processes based on:- a simplify experimental tool : the One-column reactive (OCR) pilot unit- simulators of the OCR which will be validated by the experimental results obtain on the pilot unit- simulators of SMB and SMBR processes which give access to industrial processes results.Simulation results show that OC system seem to be sensitive to key parameters of C8 aromatics separation (PX/EB selectivity and micropore diffusivity). Results on the pilot unit highlight the difficulties to implement an experimental OC. Hypothesis are given to explain those results but, without modification, OCR pilot unit cannot be used to study xylene separation (with or without reaction).SMBR study done by simulation shows the impact of the placement and the number of reactors. Integration of SMBR in the global PX production scheme is also essential. SMBR allows an important reduction of recycling flow rate (up to 50%).

Les amylosaccharases sont des α-transglucosylases catalysant naturellement la synthèse exclusive d’α-1,4-glucanes à partir du saccharose. Ces enzymes produisent également des composés secondaires et, en particulier, des isomères du saccharose tels que le turanose et le tréhalulose.L’objectif de cette thèse a consisté à utiliser un panel de techniques biophysiques et biochimiques afin d’étudier les amylosaccharases de Deinococcus geothermalis (ASDg) et Neisseria polysaccharea (ASNp) afin de comprendre les relations unissant la structure, la flexibilité et la fonction de ces enzymes.La première étude rapporte la caractérisation structurale et biophysique de l’amylosaccharase la plus thermostable connue à ce jour, l’amylosaccharase de Deinococcus geothermalis. La structure tridimensionnelle révèle une organisation dimérique en solution, jamais rapportée pour une amylosaccharase. Grâce à l’analyse de l’interface dimérique et à des travaux d’analyse de séquences, une séquence signature de dimérisation a été identifiée. En rigidifiant la structure de l’ASDg, la structure quaternaire contribue à l’augmentation de la stabilité thermique de la protéine. La spécificité de production des isomères du saccharose par les amylosaccharases a été étudiée. Les résultats décrivent, pour la première fois, les structures de l’ASDg et de l’ASNp en complexe avec le turanose. Dans l’ASNp, les résidus clefs forcent le résidu fructosyle à adopter une conformation linéaire positionnant idéalement le O3’ pour sa glucosylation expliquant la formation préférentielle de turanose par l’enzyme. Ces résidus sont absents ou placés différemment dans l’ASDg. En conséquence, l’ASDg lie principalement les formes furanoses du fructose avec un faible réseau d’interactions. La topologie du sous-site +1 permet donc différents modes de liaison du fructose en accord avec la capacité de l’ASDg à produire une plus grande quantité de tréhalulose par rapport à l’ASNp.Dans la seconde étude, des techniques de mutagenèse à saturation et combinatoire ciblées sur les acides aminés voisins du site actif ont été utilisées pour modifier la spécificité d'accepteur de l’ASNp. Le criblage de trois bibliothèques semi-rationnelles représentant un total de 20 000 variants a permis d’isoler trois doubles mutants montrant une amélioration spectaculaire de spécificité à la fois vis-à-vis du saccharose, le substrat donneur et de l’accepteur α-allyl-N-acetyl-2-désoxy-α-D-glucopyranoside par rapport au type sauvage de l’ASNp. De tels niveaux d'amélioration d'activité n'ont jamais été signalés auparavant pour cette classe d’enzymes actives sur les sucres. L’analyse par cristallographie des rayons X de la structure des meilleures enzymes mutantes suivie par des simulations de dynamique moléculaire ont montré une rigidité locale du sous-site -1 couplée à une flexibilité des boucles impliquées dans la topologie du site actif. Ces faits pourraient être à l’origine des performances catalytiques accrues de ces enzymes mutantes. L'étude démontre l'importance, lors de la conception des bibliothèques de variants, de tenir compte de la conformation locale des résidus catalytiques ainsi que de la dynamique des protéines au cours du processus catalytique / Amylosucrases are sucrose-utilizing α-transglucosylases that naturally catalyze the synthesis of α-glucans, exclusively linked through α-1,4 linkages. Side-products and in particular sucrose isomers such as turanose and trehalulose are also produced by these enzymes.The objective of this thesis concerned the application of biophysical and biochemical techniques to study amylosucrases from Deinococcus geothermalis (DgAS) and Neisseria polysaccharea (NpAS) in order to investigate relationships between structure, flexibility and function of these enzymes.In the first study, we report the first structural and biophysical characterization of the most thermostable amylosucrase identified so far, the amylosucrase from Deinoccocus geothermalis. The 3D-structure revealed a homodimeric quaternary organization, never reported before for other amylosucrases. A sequence signature of dimerization was identified from the analysis of the dimer interface and sequence alignments. By rigidifying DgAS structure, the quaternary organization is likely to participate in the enhanced thermal stability of the protein. Amylosucrase specificity with respect to sucrose isomer formation (turanose or trehalulose) was also investigated. We report the first structures of the DgAS and NpAS in complex with turanose. In NpAS, key residues were found to force the fructosyl moiety to bind in an open state with the O3' ideally positioned to explain the preferential formation of turanose by NpAS. Such residues are either not present or not similarly placed in DgAS. As a consequence, DgAS binds the furanose tautomers of fructose through a weak network of interactions to enable turanose formation. Such topology at subsite +1 is likely favoring other possible fructose binding modes in agreement with the higher amount of trehalulose formed by DgAS.In the second study, iterative saturation mutagenesis and combinatorial active site saturation focused on vicinal amino acids were used to alter the acceptor specificity of NpAS and sort out improved variants. From the screening of three semi-rational sub-libraries accounting in total for 20,000 variants, we report here the isolation of three double-mutants displaying a spectacular specificity enhancement towards both sucrose, the donor substrate, and the α-ally-N-acetyl-2-deoxy-α-D-glucopyranoside acceptor compared to wild-type N. polysaccharea amylosucrase. Such levels of activity improvement have never been reported before for this class of carbohydrate-active enzymes. X-ray structural analysis of the best performing enzymes followed by Molecular Dynamics simulations showed both local rigidity of the -1 subsite and flexibility of loops involved in active site topology which both account for the enhanced catalytic performances of the mutants. The study well illustrates the importance when designing enzyme libraries of taking into account the local conformation of catalytic residues as well as protein dynamics during the catalytic process

ASR, est une protéine photo réceptrice qui lie la base protonée de la rétine de Schiff dans deux conformations de l'état fondamental. La protéine particulière consiste en un système modèle dans lequel I'effet de l'environnement protéique sur la dynamique d'isomérisation des deux isomères peut être étudié. Dans cette thèse, une étude approfondie sur les protéines mutées ponctuellement est présentée, où la variable est l'environnement protéique. Les résultats montrent des différences significatives entre les durées de vie des états excités des deux isomères et les durées de vie plus courtes ou plus longues commentées en termes de mélange électronique Sl/S2. En complément, le développement expérimental d'un spectromètre à absorption transitoire (T.A) et d'un dispositif de spectroscopie électronique bidimensionnelle (2DES) fonctionnant respectivement dans les domaines spectral NIR et UV-Vis. Avec cette configuration, deux impulsions colinéaires à verrouillage de phase d'une durée inférieure à 10fs sont générées, où. la précision interférométrique sur le contrôle du retard entre les deux impulsions de pompe permet d'effectuer des mesures 2DES. / ASR, is a photoreceptor protein that binds the protonated Schiff base of retinal in two ground state conformations. The particular protein consists a model system where the effect of the protein environment on the isomerization dynamics of the two isomers can be investigated. In this thesis an extended study on point mutated proteins is presented where the variable is the protein environment. The results show significant differences between the two isomers excited state lifetimes with the shorter or longer lifetimes commented in terms of Sl/S2 electronic mixing. Supplementary, the experimental development of a Transient absorption spectrometer (T.A) and a Two-dimensional electronic spectroscopy setup (2DES) operating in the NIR and UV-Vis spectral range respectively are described. The 2DES spectrometer is based on translating wedges made out of birefringent material producing two collinear phase-locked pulses with sub-I Ofs duration. The interferometric precision on controlling the delay between the two pump pulses allows to perform 2DES measurements on systems absorbing in the 360-430 nm range allowing to resolve the excitation process spectrally.

Ce travail de thèse est consacré à la synthèse de composés azotés biologiquement actifs s’inspirant notamment d’une réaction biosynthétique. Dans un premier temps, nos travaux avaient pour but de développer une nouvelle voie d’accès aux acides alpha-aminés par une réaction d’isomérisation énantiosélective d’imines. Après différentes études préliminaires, les meilleurs précurseurs d’acides alphaaminés par cette méthode que nous ayons identifiés sont les alpha céto amides. L’isomérisation 1,3 d’une imine formée à partir d’un alpha céto amide et de la diphénylméthanamine à l’aide de différents alcoolates chiraux a été réalisée. L’utilisation de l’alcoolate dérivé de la (+)-N-méthylpseudoéphédrine, employé en quantité sub-stœchiométrique, a permis d’obtenir l’alpha amino amide correspondant avec un excès énantiomérique de 67%. Il reste encore à mettre au point des conditions opératoires satisfaisantes pour la conversion de cet adduit en acide alpha aminé. L’étude de l’isomérisation 1,3 d’imines nous a permis de mettre en évidence une réaction de déshydrogénation 1,4 permettant d’accéder de façon originale à des 2-azadiènes et nécessitant la présence d’oxygène. Ainsi, plusieurs 2-azadiènes non activés ont été préparés par traitement basique d’imines issues de la condensation d’acétophénones et de diphénylméthanamine sous atmosphère d’air. Dans une dernière partie, l’étude de l’addition conjuguée d’une oxazolidinone chirale sur des alkylidènemalonates de dialkyle a été réalisée dans le but de développer une méthode d’accès à des acides alpha aminés. Les conditions opératoires mises au point ont permis d’obtenir une excellente diastéréosélectivité à partir de la plupart des alkylidènemalonates de dialkyle. / This thesis work is devoted to the synthesis of biologically active nitrogen-containing compounds, particularly inspired by a biosynthetic reaction. Initially, our work aimed to develop a new pathway to a-amino acids using anenantioselective imine isomerization reaction. After various preliminary studies, the best precursors of a-amino acids that we have identified are a-keto amides. The 1,3isomerization of an imine formed from an a-keto amide and diphenylmethanamine using various chiral alkoxides was then conducted. The alkoxide derived from (+)-N-méthylpseudoéphédrine, employed in sub-stoichiometric quantities, allowed obtaining the corresponding a-amino amide with 67% enantiomeric excess. It still remains to develop satisfactory operating conditions for the conversion of this adduct to an a-amino acid.The study of the 1,3 isomerization of imines allowed us to bring to light a 1,4 dehydrogenation reaction, which allows an original access to 2-azadienes and which requires the presence of oxygen. Thus, several non-activated 2-azadienes have been prepared by basic treatment of imines derived from acetophenones anddiphenylmethanamine, under air atmosphere.In the last part, the study of the conjugate addition of a chiral oxazolidinone on dialkyl alkylidenemalonates was carried out, with the aim to develop a method of access to enantiopure b-amino acids. Reactions conditions developed allowed to obtain an excellent diastereoselectivity from most dialkyl alkylidenemalonates.

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