• 1.準(zhǔn)確預(yù)測(cè)通量實(shí)驗(yàn)的極限值，減少高通量實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

• 2.有效評(píng)估產(chǎn)物的產(chǎn)率分布，減少反應(yīng)路線開發(fā)成本。

• 3.具體掌握反應(yīng)的微觀機(jī)理，高效調(diào)控反應(yīng)進(jìn)程。

   

     例如，在圖1所示一個(gè)經(jīng)典的工業(yè)催化反應(yīng)體系中，底物A會(huì)在不同反應(yīng)位點(diǎn)（1，2，3和4）上發(fā)生反應(yīng)，最終在實(shí)際生產(chǎn)中表現(xiàn)為不同產(chǎn)物的選擇性差異：如圖1所示，1號(hào)反應(yīng)位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物E選擇性為98.0 %，2號(hào)反應(yīng)位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物F選擇性為0.4 %，4號(hào)反應(yīng)位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物G選擇性為1.6 %，實(shí)驗(yàn)未能檢測(cè)到3號(hào)反應(yīng)位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物。

圖1 化工生產(chǎn)中一個(gè)經(jīng)典的催化反應(yīng)體系

     通過計(jì)算第一步反應(yīng)（底物A反應(yīng)生成B，C和D）的勢(shì)能變化，就已經(jīng)能夠?qū)@一實(shí)驗(yàn)結(jié)果做定性解釋，如圖2所示。可以明顯看出，1號(hào)位點(diǎn)（圖2黑線）發(fā)生的反應(yīng)作為主反應(yīng)，有著最低的反應(yīng)能壘和最穩(wěn)定的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。而實(shí)驗(yàn)中未檢測(cè)到3號(hào)位點(diǎn)（圖2藍(lán)線）對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物，也與其顯著較高的反應(yīng)能壘（約是主反應(yīng)的2倍）以及較差的產(chǎn)物穩(wěn)定性高度一致。而2號(hào)（圖2紅線）和4號(hào)位點(diǎn)（圖2綠線）的反應(yīng)能壘及其產(chǎn)物穩(wěn)定性介于上述二者之間，也能夠與實(shí)驗(yàn)相符合。

圖2 底物A在4種不同反應(yīng)位點(diǎn)的第一步反應(yīng)中的勢(shì)能變化情況

    從上面的例子可以看出，通過計(jì)算反應(yīng)的勢(shì)能變化，就能夠非常有效地解釋相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然而，化工生產(chǎn)中涉及到的反應(yīng)往往會(huì)更加復(fù)雜，想要獲取完整的反應(yīng)路徑勢(shì)能信息比較困難。前人在此方面已經(jīng)做了許多努力，在此基礎(chǔ)上，我們自主開發(fā)了用于反應(yīng)路徑搜索的一系列方法。結(jié)果如圖3所示。

圖3 底物A在4種不同反應(yīng)位點(diǎn)的反應(yīng)路徑搜索結(jié)果

     可以看到，除了實(shí)驗(yàn)中指出的產(chǎn)物，反應(yīng)路徑搜索方法還能夠進(jìn)一步探索更多可能的反應(yīng)，得到一批新的產(chǎn)物和更多可能的反應(yīng)路徑。這些反應(yīng)過程中關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)信息和能量信息都在搜索過程中被保存下來，不同反應(yīng)路徑的難易程度也能夠通過比較過渡態(tài)的能壘值（圖3藍(lán)色數(shù)據(jù)）定性判別。借助反應(yīng)路徑搜索方法能夠在降低實(shí)驗(yàn)成本的同時(shí)提高研發(fā)效率，完善更加全面的反應(yīng)信息，幫助理解化工體系中的各種微觀反應(yīng)機(jī)理。