Flow chemistry; Neutralization; Chemical warfare agents
Abstract :
[en] A low footprint, mobile, robust and frugal chemical neutralization technology is reported for the oxidative neutralization of a mustard gas simulant. It relies on the inherent properties of a highly engineered continuous flow setup and carefully optimized and simple, yet robust, experimental conditions. The neutralization protocol uses only non-toxic, widely available and cheap chemicals. The continuous flow setup integrates a singlet oxygen generator and exploits its oxidative power to neutralize 2-chloroethyl ethyl sulfide (CEES), the most common thioether mustard gas simulant. The flow reactor can be connected to either pressurized oxygen or air and handles CEES as a 1 M solution in EtOH containing a trace amount (0.06 mol%) of a non-toxic and widely available photosensitizer (Methylene Blue). Upon irradiation with visible light (orange or white light), total and highly selective neutralization towards the corresponding non-toxic sulfoxide (1-chloro-2-(ethylsulfinyl)ethane, CEESO) is obtained with reactor effluents containing less than 1% of the corresponding potentially toxic sulfone (1-chloro-2-(ethylsulfonyl)ethane, CEESO2). With a low footprint (L x W x H 94 x 42 x 40 cm), this neutralization technology can be embarked on a vehicle for on-site interventions, localized at a neutralization facility or both. The experimental work is also supported with a computational rationalization of the reactivity of CEES towards singlet oxygen.
Disciplines :
Chemistry
Author, co-author :
Emmanuel, Noémie ✱; Université de Liège - ULiège > Département de chimie (sciences) > CITOS
Bianchi, Pauline ✱; Université de Liège - ULiège > Master en sc. chimiques, à fin.
Legros, Julien; Université de Rouen
Monbaliu, Jean-Christophe ; Université de Liège - ULiège > Département de chimie (sciences) > Synthèse organique appliquée
✱ These authors have contributed equally to this work.
Language :
English
Title :
A safe and compact flow platform for the neutralization of a mustard gas simulant with air and light
Publication date :
2020
Journal title :
Green Chemistry
ISSN :
1463-9262
eISSN :
1463-9270
Publisher :
Royal Society of Chemistry, United Kingdom
Volume :
22
Pages :
4105-4115
Peer reviewed :
Peer Reviewed verified by ORBi
Tags :
CÉCI : Consortium des Équipements de Calcul Intensif
N. Karton-Lifshin S. Katalan I. Columbus R. Chen L. Yehezkel M. Madmon S. Dagan S. Elias G. Fridkin Y. Zafrani Chem. Commun. 2019 55 12471 12474
G. W. Wagner L. R. Procell Y. C. Yang C. A. Bunton Langmuir 2001 17 4809 4811
S. R. Livingston C. C. Landry J. Am. Chem. Soc. 2008 130 13214 13215
F. Carniato C. Bisio R. Psaro L. Marchese M. Guidotti Angew. Chem., Int. Ed. 2014 53 10095 10098
Y. Hou H. An Y. Zhang T. Hu W. Yang S. Chang ACS Catal. 2018 8 6062 6069
X. Li J. Dong H. Liu X. Sun Y. Chi C. Hu J. Hazard. Mater. 2018 344 994 999
J. Dong J. Hu Y. Chi Z. Lin B. Zou S. Yang C. L. Hill C. Hu Angew. Chem., Int. Ed. 2017 56 4473 4477
B. Picard B. Gouilleux T. Lebleu J. Maddaluno I. Chataigner M. Penhoat F. X. Felpin P. Giraudeau J. Legros Angew. Chem., Int. Ed. 2017 56 7568 7572
S. Mohamed S. Balieu E. Petit L. Galas D. Schapman J. Hardouin Chem. Commun. 2019 55 13243 13246
Z. Wang H. Xi L. Kong Y. Zuo Z. Shi S. Zhao Mol. Catal. 2017 430 1 8
Y. Liu A. J. Howarth J. T. Hupp O. K. Farha Angew. Chem., Int. Ed. 2015 54 9001 9005
W. Q. Zhang K. Cheng H. Zhang Q. Y. Li Z. Ma Z. Wang J. Sheng Y. Li X. Zhao X. J. Wang Inorg. Chem. 2018 57 4230 4233
L. Ma Y. Liu Y. Liu S. Jiang P. Li Y. Hao P. Shao A. Yin X. Feng B. Wang Angew. Chem., Int. Ed. 2019 58 4221 4226
J. R. Hiscock G. P. Bustone E. R. Clark ChemistryOpen 2017 6 497 500
H. K. Dong M. Kim S. Chang Org. Lett. 2005 7 5014 5018
Y. Liu C. T. Buru A. J. Howarth J. J. Mahle J. H. Buchanan J. B. Decoste J. T. Hupp O. K. Farha J. Mater. Chem. A 2016 4 13809 13813
C. R. Ringenbach S. R. Livingston D. Kumar C. C. Landry Chem. Mater. 2005 17 5580 5586
R. T. Gephart P. N. Coneski J. H. Wynne ACS Appl. Mater. Interfaces 2013 5 10191 10200
J. T. Rhule W. A. Neiwert K. I. Hardcastle B. T. Do C. L. Hill J. Am. Chem. Soc. 2001 123 12101 12102
B. Smolkin N. Levi N. Karton-Lifshin L. Yehezkel Y. Zafrani I. Columbus J. Org. Chem. 2018 83 13949 13955
C. T. Buru M. B. Majewski A. J. Howarth R. H. Lavroff C. W. Kung A. W. Peters S. Goswami O. K. Farha ACS Appl. Mater. Interfaces 2018 10 23802 23806
A. J. Howarth C. T. Buru Y. Liu A. M. Ploskonka K. J. Hartlieb M. McEntee J. J. Mahle J. H. Buchanan E. M. Durke S. S. Al-Juaid J. F. Stoddart J. B. DeCoste J. T. Hupp O. K. Farha Chem.-Eur. J. 2017 23 214 218
C. F. Pereira Y. Liu A. Howarth F. Figueira J. Rocha J. T. Hupp O. K. Farha J. P. C. Tomé F. A. A. Paz ACS Appl. Nano Mater. 2019 2 465 469
K. Ma T. Islamoglu Z. Chen P. Li M. C. Wasson Y. Chen Y. Wang G. W. Peterson J. H. Xin O. K. Farha J. Am. Chem. Soc. 2019 141 15626 15633
J. Dad'ová E. Svobodová M. Sikorski B. König R. Cibulka ChemCatChem 2012 4 620 623
T. Neveselý E. Svobodová J. Chudoba M. Sikorski R. Cibulka Adv. Synth. Catal. 2016 358 1654 1663
H. Wang G. W. Wagner A. X. Lu D. L. Nguyen J. H. Buchanan P. M. McNutt C. J. Karwacki ACS Appl. Mater. Interfaces 2018 10 18771 18777
T. S. A. Heugebaert C. V. Stevens C. O. Kappe ChemSusChem 2015 8 1648 1651
C. A. Hone and C. O. Kappe, The Use of Molecular Oxygen for Liquid Phase Aerobic Oxidations in Continuous Flow, Springer International Publishing, 2019, vol. 377
V. E. H. Kassin R. Gérardy T. Toupy D. Collin E. Salvadeo F. Toussaint K. Van Hecke J. C. M. Monbaliu Green Chem. 2019 21 2952 2966
V.-E. H. Kassin T. Toupy G. Petit P. Bianchi E. Salvadeo J.-C. M. Monbaliu J. Flow Chem. 2020 10 167 179
D. Cambié J. Dobbelaar P. Riente J. Vanderspikken C. Shen P. H. Seeberger K. Gilmore M. G. Debije T. Noël Angew. Chem., Int. Ed. 2019 58 14374 14378
H. P. L. Gemoets Y. Su M. Shang V. Hessel R. Luque T. Noël Chem. Soc. Rev. 2016 45 83 117
D. Cambié C. Bottecchia N. J. W. Straathof V. Hessel T. Noël Chem. Rev. 2016 116 10276 10341
L. Suhadolnik A. Pohar U. Novak B. Likozar A. Mihelič M. Čeh J. Ind. Eng. Chem. 2019 72 178 188
M. Krivec A. Pohar B. Likozar G. Drazic AIChE J. 2015 61 572 581
L. Suhadolnik A. Pohar B. Likozar M. Čeh Chem. Eng. J. 2016 303 292 301
D. Rackl P. Kreitmeier O. Reiser Green Chem. 2015 18 214 219
D. C. Fabry Y. A. Ho R. Zapf W. Tremel M. Panthöfer M. Rueping T. H. Rehm Green Chem. 2017 19 1911 1918
P. R. Adiyala S. Jang N. K. Vishwakarma Y.-H. Hwang D.-P. Kim Green Chem. 2020 22 1565 1571
A. Steiner J. D. Williams O. De Frutos J. A. Rincón C. Mateos C. O. Kappe Green Chem. 2020 22 448 454
M. B. Plutschack B. Pieber K. Gilmore P. H. Seeberger Chem. Rev. 2017 117 11796 11893
H. Ishitani, Y. Saito, B. Laroche, X. Rao and S. Kobayashi, Chapter 1: Recent Perspectives in Catalysis under Continuous Flow, 2020, vol. 2020-January
M. Berton J. M. de Souza I. Abdiaj D. T. McQuade D. R. Snead J. Flow Chem. 2020 10 73 92
J. J. Kilbane K. Jackowski J. Chem. Technol. Biotechnol. 1996 65 370 374
F. Lévesque P. H. Seeberger Org. Lett. 2011 13 5008 5011
N. Emmanuel C. Mendoza M. Winter C. R. Horn A. Vizza L. Dreesen B. Heinrichs J. C. M. Monbaliu Org. Process Res. Dev. 2017 21 1435 1438
C. Mendoza N. Emmanuel C. A. Páez L. Dreesen J. C. M. Monbaliu B. Heinrichs J. Photochem. Photobiol., A 2018 356 193 200
C. Mendoza N. Emmanuel C. A. Páez L. Dreesen J.-C. M. Monbaliu B. Heinrichs ChemPhotoChem 2018 2 890 897
M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, X. Li, H. P. Hratchian, A. F. Izmaylov, J. Bloino, G. Zheng, J. L. Sonnenberg, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, J. A. Montgomery Jr., J. E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J. J. Heyd, E. Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, N. Rega, J. M. Millam, M. Klene, J. E. Knox, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, V. G. Zakrzewski, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, S. Dapprich, A. D. Daniels, Ö. Farkas, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, J. Cioslowski and D. J. Fox, Gaussian 09 (Revision D.01), Gaussian Inc., Wallingford CT, 2009
F. Jensen J. Org. Chem. 1992 57 6478 6487
A. Greer F. Jensen E. L. Clenna J. Org. Chem. 1996 61 4107 4110
A. Toutchkine D. Aebisher E. L. Clennan J. Am. Chem. Soc. 2001 123 4966 4973
E. Baciocchi T. Del Giacco F. Elisei M. F. Gerini M. Guerra A. Lapi P. Liberali J. Am. Chem. Soc. 2003 125 16444 16454
S. M. Bonesi M. Fagnoni A. Albini J. Org. Chem. 2004 69 928 935
E. L. Clennan S. E. Hightower A. Greer J. Am. Chem. Soc. 2005 127 11819 11826
S. M. Bonesi S. Crespi D. Merli I. Manet A. Albini J. Org. Chem. 2017 82 9054 9065
E. L. Clennan A. Greer J. Org. Chem. 1996 61 4793 4797
K. Ishiguro M. Hayashi Y. Sawaki J. Am. Chem. Soc. 1996 118 7265 7271
W. S. Jenks N. Matsunaga M. Gordon J. Org. Chem. 1996 61 1275 1282
F. Jensen A. Greer E. L. Clennan J. Am. Chem. Soc. 1998 120 4439 4449
S. M. Bonesi M. Mella N. D'Alessandro G. G. Aloisi M. Vanossi A. Albinit J. Org. Chem. 1998 63 9946 9955
W. Zhou E. L. Clennan J. Am. Chem. Soc. 1999 121 2915 2916
A. Toutchkine E. L. Clennan J. Am. Chem. Soc. 2000 122 1834 1835
E. L. Clennan Acc. Chem. Res. 2001 34 875 884
S. M. Bonesi I. Manet M. Freccero M. Fagnoni A. Albini Chem.-Eur. J. 2006 12 4844 4857
C. L. Gu C. S. Foote J. Am. Chem. Soc. 1982 104 6060 6063
A. Toutchkine E. L. Clennan Tetrahedron Lett. 1999 40 6519 6522
