Interpretable Machine Learning Models Delivering a New Perspective for the Reaction Mechanism between Organic Pollutants and Oxidative Radicals

激进的 可解释性 机制(生物学) 电泳剂 反应机理 反应速率常数 羟基自由基 计算化学 分子描述符 化学 光化学 计算机科学 数量结构-活动关系 机器学习 有机化学 立体化学 动力学 催化作用 认识论 哲学 量子力学 物理
作者
Yiqiu Wu,Zhixiang Wang,Guangfei Yu,Yuehong Zhao,Chuncheng Chen,Yongbing Xie,Hongbin Cao
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (2): 1264-1273 被引量:40
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c11504
摘要

Machine learning (ML) is expected to bring new insights into the impact of organic structures on the reaction mechanisms in reactive oxygen species oxidation. However, understanding the underlying chemical mechanisms still faces challenges due to the limited interpretability of the ML models. In this study, interpretable ML models were established to predict the second-order rate constants between hydroxyl radicals ( • OH) and organics ( k •OH ). It was found that the energy of the highest occupied molecular orbital ( E HOMO ), the number of aromatic rings ( N AR ), and the number of carbon atoms of organics ( N C ) have important impacts on k •OH . The positive correlation between k •OH and E HOMO can be explained by the regularity of electrophilic reaction, while the relationship between k •OH and N AR and N C seems to be related with reactive sites. Furthermore, a rapid judgment method for reaction mechanism was developed based on an unsupervised learning approach which automatically divided organics into three clusters. Additionally, this methodology was applied to the reaction between organics and sulfate radicals. This study offers a rational model for predicting reaction mechanisms and provides more insights into the impact of organic structures on the reaction mechanism from the perspective of big data.
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