來自實驗數據的精確預測

　　絕大多數食物、藥品、燃料、塑料和合成纖維缺少了催化劑根本就不會存在，催化劑能為化學反應開啟一段快樂的旅程。然而，化學家還沒有完全搞清楚大多數催化劑是如何工作的，開發新型催化劑通常仍然依靠在實驗室中進行的反復試驗來完成。

　　 但美國猶他大學的化學家獲取了在關鍵化學反應步驟上的足夠數據，可以精確地預測大多數有效催化劑的結構，在產生極少量副產品的情況下，加速試驗過程。

　　 找到關鍵規律，支撐全球化工

　　 “我們能在反應空間內很好地預測任何催化劑及其基質的形成。”猶他大學化學系教授馬修·西格曼說。

　　 西格曼表示，新的路徑能幫助化學家設計催化劑，不僅僅能夠在增量上讓新的催化劑更好，還能制造全新的產品。當分子之間相互依附和進行形狀轉換的時候，借助于這種更清晰的認識，化學家或許能夠進一步掌控現在被認為不重要或者不可行的化學反應。

　　 “現在我們能夠找出來究竟什么對我們是重要的，這是事情的規律所在。”博士后研究人員阿奈特·米洛說，“這對于開發下一代催化劑具有絕對重要的意義。”

　　 催化劑的價值很難準確衡量。有一種估計認為，超過三分之一的全球經濟產值依靠催化劑參與的生產過程。

　　 從化學制造業減少廢物流的努力取決于這項技術帶來的新型催化劑，可再生能源技術如燃料電池和人工光合作用也同樣如此。

　　 避免“伸錯手”，杜絕大量浪費

　　 在新的研究中，研究人員專注于在很多有潛在強大藥理作用的化合物中構建一個碳環結構的反應。他們選擇這個實驗是因為在實踐中它很重要，但同時由于它還是一個復雜的反應，所以使用標準的技術手段并不能將這種反應檢測出來。

　　 “對于這些反應人們知之甚少，所以設計起來異常困難。”西格曼說。

　　 最戲劇性的部分是用被設計過的“左右手性質”來操控反應以產生不同的結構。基于碳的化合物可以組裝成鏡像圖像或映射形式。它們都有相同的原子，但是原子空間排列的變化會改變三維結構。

　　 這種形式的不同很大程度上像人類的左手和右手。一般而言只有其中一種形式會擁有被設計的化學活性。“你可以想象在一個分子和它的目標之間進行的一種握手。”米洛說，“你不能伸錯手。”

　　 一個完美的催化劑能夠讓化學反應只產生一種被設計過的鏡像形式，原始材料不應該被浪費在無效對應異構體的合成上，研究人員的努力也是在試圖杜絕這種浪費。

　　 他們生成了一系列催化劑，在分子的特定位置上，用一系列不同的原子或者原子團來替換進而改變大小和電子屬性，在一整套催化劑所作用的化學基質中也可以采取同樣的手段。

　　 使用上述整套實踐方式，可以讓研究人員測量選擇性的給定催化劑如何生產出經過設計的產品。

　　 數據庫巨大，可精確預測方案

　　 這些實踐也催生了一個巨大的測量數據，重要的是，研究人員并沒有放棄任何結果。

　　 “這是大數據的前提。”西格曼說，“沒有所謂的‘壞’結果，每個結果都很重要。”研究人員使用這個數據庫進行數據分析，來辨別催化劑和基質的結構特征。

　　 他們發表在《科學》雜志的論文聲稱，他們已經開發出一個能預測結果的計算機模型。用20種不同的催化劑和基質進行配對的另一種試驗結果顯示，這個模型可以精確地預測選擇性。

　　 為了繼續跟蹤完善這個強大的數據庫，研究人員需要搜集所有有關的信息。在其中一個實例中，他們根據分子被修改的位置，繪制出每種催化劑在與不同基質匹配時候變化的選擇性。“這是最有趣的部分。”米洛說。

　　 西格曼說：“我們的計劃是將之輔助應用并尋找新的問題。”