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Le mystérieux voyage temporel de la chimie : qu'est-ce qu'une "réaction en cascade" ?
Dans le domaine de la chimie, l'efficacité et la diversité des réactions sont souvent devenues le centre d'exploration des chercheurs, notamment lorsqu'il s'agit de « Cascade Reaction » (Réaction en Cascade). Cette réaction permet aux chimistes d’effectuer plusieurs modifications chimiques séquentielles en un seul processus, souvent sans avoir besoin d’isoler les intermédiaires. Cela améliore non seulement l’efficacité de la réaction, mais réduit également la génération de déchets chimiques, ce qui représente une tendance innovante dans la synthèse chimique moderne.
Une réaction en cascade est un processus chimique composé d'au moins deux réactions consécutives, de sorte que chaque réaction ultérieure repose sur les groupes fonctionnels chimiques générés lors de l'étape précédente.
Dans ces réactions, un point important est que pendant la réaction en cascade, les conditions de réaction ne changeront pas à mesure que les étapes changent, et de nouveaux réactifs ne seront pas ajoutés après la réaction initiale. Cette méthode est différente des « procédures one-pot ». Bien que ces dernières puissent réaliser plusieurs réactions sans isoler d'intermédiaires, elle n'exclut pas l'ajout de nouveaux réactifs ou des modifications de conditions après la première réaction.
Les principaux avantages des réactions en cascade incluent une économie élevée d'atomes et une réduction des déchets générés par de nombreux processus chimiques. De plus, cela réduit le temps et les efforts nécessaires pour effectuer la synthèse chimique. L'efficacité et l'utilité de telles réactions peuvent en réalité être mesurées par plusieurs paramètres, tels que le nombre de liaisons formées dans la réaction globale, la mesure dans laquelle la complexité structurelle est augmentée par le processus et son applicabilité à une classe plus large de substrats.
Dès 1917, la synthèse de « l'Europein » rapportée par Robinson était un des premiers exemples de réactions en cascade.
Depuis lors, l'utilisation des réactions en cascade s'est développée rapidement dans le domaine de la synthèse totale, stimulant le développement de nombreuses nouvelles méthodologies organiques. Au cours des dernières décennies, les revues de littérature sur de telles réactions ont proliféré. Il convient de noter en particulier l’accent croissant mis sur le développement de catalyses asymétriques pour les processus en cascade utilisant des organocatalyseurs chiraux ou des complexes de métaux de transition.
Cependant, la classification des réactions en cascade est souvent difficile en raison de la diversité des transformations en plusieurs étapes. Le célèbre chimiste K. C. Nicolaou divise ces réactions en réactions nucléophiles/électrophiles, réactions radicalaires, réactions péricycliques ou réactions catalysées par des métaux de transition en fonction des mécanismes d'étape impliqués. Cependant, cette distinction devient tout à fait arbitraire lorsque plusieurs catégories de réponses sont incluses dans la même cascade, étiquetant souvent l'ensemble du processus selon ce que l'on appelle des « thèmes majeurs ».
Dans les réactions en cascade, presque tous les exemples proviennent de la synthèse totale de molécules complexes pour mettre en évidence leur excellente praticité de synthèse.
Réaction en cascade nucléophile/électrophile
La réaction en cascade nucléophile/électrophile fait référence à une séquence en cascade dans laquelle l'étape clé est une attaque nucléophile ou électrophile. Un exemple est la synthèse asymétrique à courte portée de l’antibiotique à large spectre (-)-chloramphénicol. Dans ce processus, après que l'alcool époxy chiral réagit avec le dichloroacétonitrile en présence de NaH, le produit correspondant est en outre produit par une réaction en cascade médiée par BF3·Et2O.
Un autre exemple est la synthèse totale du produit naturel pentalène. Cette étape génère finalement le composé cible grâce à une série de réactions d’attaque nucléophile.
Réaction organocatalytique en cascade
En tant que sous-catégorie de réactions nucléophiles/électrophiles, les réactions organocatalytiques en cascade dérivent l'attaque nucléophile critique des organocatalyseurs. Dans la synthèse totale du produit naturel harziphilone, des résultats remarquables ont également été obtenus grâce à des réactions organocatalytiques en cascade.
Réaction en cascade des radicaux libres
L'étape clé de la réaction en cascade des radicaux libres est la réaction radicalaire. Ce type de réaction est devenu une excellente méthode de synthèse en raison de la grande réactivité des espèces radicalaires. En 1985, la synthèse globale du (±)-hirsutène a démontré l’efficacité de la cascade de radicaux libres, qui impliquait des réactions de cyclisation des radicaux libres en plusieurs étapes.
Réaction en cascade péricyclique
Les réactions péricycliques sont les plus courantes dans les transformations en cascade, notamment les réactions de cycloaddition, les réactions électrocycliques et la recombinaison par translocation σ. Par exemple, en 1982, Nicolaou a rapporté la réaction en cascade de l’acide endiandrique, démontrant la cohérence globale de ce processus.
Réaction en cascade catalysée par un métal de transition
En combinant la nouveauté de la chimie organométallique avec la puissance de synthèse des réactions en cascade, les séquences en cascade catalysées par des métaux de transition offrent des avantages plus écologiques et économiques. Par exemple, le potentiel de la catalyse métallique a été démontré grâce à la synthèse de produits bioactifs à base de tétrahydrotryptophane via une réaction en cascade catalysée par l'osmium.
Qu'il s'agisse de réactions en cascade catalysées par des radicaux libres, des radicaux libres ou des métaux de transition, elles montrent toutes les possibilités infinies et le romantisme de la synthèse chimique. Cela amène les gens à se demander combien de secrets chimiques inconnus nous attendent pour être découverts dans le cadre de futures recherches scientifiques ?
