Optimizing Vanadium-Catalyzed Epoxidation Reactions: Machine-Learning-Driven Yield Predictions and Data Augmentation

产量(工程) 催化作用 实验数据 化学反应 化学 生化工程 生物系统 计算机科学 反应条件 机器学习 有机化学 材料科学 数学 冶金 工程类 统计 生物
作者
José Ferraz-Caetano,Filipe Teixeira,M. Natália D. S. Cordeiro
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:65 (13): 6757-6771 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.5c01104
摘要

Catalytic epoxidations are key chemical processes serving as essential steps in the synthesis of commercially valuable compounds. This study presents an innovative supervised machine learning (ML) model to predict the reaction yield of the vanadium-catalyzed epoxidation of small alcohols and alkenes. Our framework uncovers relevant chemical characteristics for structure design, offering a pathway for automated optimization of epoxidation reactions. The study also incorporates the concept of data augmentation, handling experimental variability by generating synthetic reactions to densify under-represented data segments. Trained on a curated data set of 273 experimental epoxidation reactions with vanadyl catalyst groups, the model achieved a predictive R2 test score of 90%, with a mean absolute yield prediction error of 4.7%. The ML model offers a high degree of explainability, as descriptor analysis identified key experimental and chemical descriptors that influence catalytic reaction predictions. This represents a significant development in catalytic epoxidation studies, highlighting the critical role of data science in reaction research and catalyst optimization.
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