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Scenario 6:分布外 Buchwald–Hartwig 反应收率估计

Scenario Overview

该 Scenario 面向反应物、试剂和目标产物均已知,需要预测 isolated yield 并识别模型外推失败的反应优选任务。Benchmark 使用 Ahneman 等人的 Buchwald–Hartwig C–N 偶联高通量实验数据及后续公开的 random/MFF Test1–4 划分。该数据具有成体系的真实实验收率,适合评价回归和分布外泛化;不使用噪声更大、实验尺度和缺失机制复杂的 USPTO 抽取收率作为主 Ground Truth。

与随机 IID split 上拟合一个回归器的基础任务相比,本场景把未见反应组分组合的 Test1–4 作为主评价条件,并要求 public validation 校准的不确定性、macro-average 与 worst-group 同时报告。模型不能依靠近重复反应获得高 R²,也不能用随机测试集的平均表现掩盖某一类组分外推完全失效。

候选部署模型为 ReactionT5v2-yield;Yield-BERT/rxn_yields 提供经典开源基线和官方训练模型。当前固定的 ReactionT5v2-yield release 虽能加载,但其 model-card canary 在复现上游 wrapper 与预处理后仍出现显著不一致(期望约 19.1666,实测 65.924858),因此必须保持隔离,不能作为默认科学结果模型。正式比较的核心不是只在随机拆分上获得高 R²,而是在固定的 Test1–4 留组分外推设置下,能否保持较低误差、合理排序并识别不确定性。

收率是反应、条件、操作和测量协议的联合属性。模型输入中缺失的时间、浓度或加料信息会形成不可约不确定性,因此输出必须称“在该数据定义和输入字段下的预测收率”,不能扩展为路线可行性或跨实验室绝对收率保证。

数据可获取性与 Benchmark 构建方案

已验证的数据与模型来源

原始 HTE 数据、派生 split 和模型权重的再发布条款必须分别冻结。若上游下载链接未附清晰数据许可证,Reference Repository 只能提供构建脚本与哈希,不能擅自重新打包数据。

数据与划分冻结规则

  1. 从官方 rxn_yields/ReactionT5v2 链接获取原始表和 MFF Test1–4,冻结 commit、文件 SHA256、列名、单位和缺失值处理。
  2. 验证收率范围、百分数单位和每条反应的 aryl halide、amine、ligand、base、additive 以及 product 字段;不对异常值静默 clipping。
  3. 保留官方 random splits 作为 IID 参考,但主榜以 MFF Test1–4 的 OOD 平均和最坏组性能排序。
  4. 重复反应按完整组分与条件 signature 聚合;聚合方式、重复数和标准差写入审计。近重复组合不得跨 train/test。
  5. public train/validation 发布真实 yield;test input 隐藏 yield。每个 Test1–4 维护独立 split manifest,不把四个 test 合并后重新随机划分。
  6. 若使用 ORD 预训练 checkpoint,必须执行 canonical full-reaction exact 去重,并记录 CN_test_data_path 清单。无法证明去重的 checkpoint 只能作非正式 baseline。
  7. 模型选择、缩放、ensemble 和不确定性校准只使用 public train/validation,不访问任何 Test1–4 yield。
  8. 输入字段不足以表示的实验条件明确列入 known_missing_covariates,不让 LLM 从论文或网络补全。

Scenario 流程与基础流程的对比

分布外收率科学场景                         基础收率调用

冻结反应、条件字段 + train/valid             输入 reaction SMILES
               │                                 │
               ▼                                 ▼
单位、重复和 split 审计                       调用回归模型
               │                                 │
               ▼                                 ▼
在 public validation 选择/校准方法              输出一个数字
               │
               ▼
对 Random + MFF Test1–4 批量预测
               │
               ▼
输出点估计、区间、域距离和失败标记
               │
               ▼
私有 evaluator 分别计算 IID/OOD 指标

Science Query

给定 Buchwald–Hartwig C–N 偶联的公开训练/验证反应及收率,以及五组隐藏测试反应的完整结构化输入,请在不访问测试收率的条件下,预测每条反应的百分比收率,给出经公开验证校准的不确定性,并重点评价对 MFF Test1–4 未见组分组合的外推能力。

阶段介绍

Stage 1. Schema, Unit, and Duplicate Audit

目标: 确保标签方向、百分数单位、组件身份和重复处理一致。

输入: train/validation/test tables 和 split manifests。

输出: 数据质量报告、canonical signatures、聚合记录和哈希。

技术: 收率固定为 0–100 percentage points;越高越好。检查反应组分与 product,可疑越界值停止构建而不是 clipping。重复实验按预注册均值聚合并保存方差。

Stage 2. Split and Pretraining Leakage Audit

目标: 确认 OOD 组分隔离和预训练数据去重。

输入: split manifests、training corpus manifest、checkpoint。

输出: exact/near-duplicate overlap 与准入结论。

技术: 分别验证 aryl halide、ligand、base/additive 等 MFF holdout 逻辑;对 ORD/其他语料按 full-reaction signature 去重。只凭论文总体声明不足以替代 checkpoint manifest。

Stage 3. Public Validation and Model Selection

目标: 不使用 hidden test 收率选择回归方法和参数。

输入: train/validation labels、候选模型。

输出: validation MAE/RMSE/R²/Spearman、选定模型和固定参数。

技术: 可比较 ReactionT5v2-yield、Yield-BERT 和简单 reaction-fingerprint baseline。任何 fine-tuning、ensemble 权重、early stopping 与校准都只看 validation。

Stage 4. Yield Prediction

目标: 对全部隐藏测试反应一致产生点预测。

输入: fixed model 与 reaction fields。

输出: predicted_yield_percent、raw model output、运行状态。

技术: 模型输入严格记录 reactant/reagent/product 编码和最大长度。预测超出 0–100 时保留 raw value;用于指标的 clipping 规则若存在必须预注册并同时报告 unclipped error。

Stage 5. Uncertainty and Applicability Diagnosis

目标: 识别 OOD 反应和高误差风险,而不是只给无依据置信度。

输入: train/validation 表征、模型 ensemble/dropout 或残差校准。

输出: prediction interval、domain-distance、uncertainty flag。

技术: 区间覆盖与尺度仅在 validation 校准;Test1–4 不参与调参。若模型不支持可信区间,输出 uncertainty_unavailable,不得编造。

Stage 6. Frozen Output and Private OOD Evaluation

目标: 预测冻结后分别评价随机与四种 OOD split。

输入: predictions、private yields。

输出: split-level metrics、worst-group 指标、误差诊断。

技术: 每个 split 单独计算 MAE、RMSE、R²、Spearman、Top-decile enrichment 和区间覆盖;主排名使用 Test1–4 macro average 与 worst-group MAE,不由样本更多的 split 支配。

Input Data 与 Ground Truth 组织

Harness 可见输入

input/
├── train_reactions_yields.csv
├── validation_reactions_yields.csv
├── random_test_reactions.csv
├── mff_test1_reactions.csv
├── mff_test2_reactions.csv
├── mff_test3_reactions.csv
├── mff_test4_reactions.csv
├── split_manifest.json
├── scenario_config.json
└── environment_manifest.json

测试表不含 yield。若为支持模型输入保留一个 YIELD 列,必须全为空且在送入模型前移除;禁止使用占位数值。

Evaluator 私有数据

private_evaluator/
├── random_test_yields.csv
├── mff_test1_yields.csv
├── mff_test2_yields.csv
├── mff_test3_yields.csv
├── mff_test4_yields.csv
├── source_provenance.json
├── leakage_audit.json
└── evaluation_config.json

intermediate_results.json 最低要求

{
  "scenario_id": "buchwald_hartwig_yield_ood_v1",
  "dataset_snapshot": "<snapshot>",
  "input_hashes": {},
  "yield_unit": "percent",
  "model": {"id": "<model>", "checkpoint_sha256": "<sha256>"},
  "validation": {"methods": [], "selected_method": "<id>"},
  "test_predictions": [],
  "known_missing_covariates": [],
  "warnings": []
}

每条测试记录至少保存 split、point prediction、raw prediction、区间或 unavailable 原因、domain-distance、输入截断状态和耗时。

建议的 Reference Repository 结构

reference_repository/
├── README.md
├── environment.yml
├── pipelines/
│   └── 06_yield_estimation.py
└── test_cases/
    ├── install.py
    ├── evaluate.py
    ├── database_sources.json
    └── 06_yield_estimation.json

仓库中的实际参考实现位于 scenarios/pipelines/ 与 scenarios/test_cases/。公开 pipeline 只能看到反应、split 与冻结模型输出;实验 yield GT 保持在 private evaluator 边界。

评估自动化实现难度

全流程可离线自动化:单位/重复审计 ✓ → OOD split/预训练泄漏审计 ✓ → public validation ✓ → 批量回归 ✓ → 不确定性校准 ✓ → private split-level 评价 ✓。关键发布阻塞是原始 HTE 数据再分发条款和每个 checkpoint 的精确训练/去重清单。

仓库已提供 retrosynthesis_planning.yield_benchmark:冻结 random_test 与四个 MFF 子组,保留未经裁剪的原始预测和显式区间缺失,计算每组误差、R2、Spearman、Top-decile enrichment、区间覆盖,以及 macro-OOD 和 worst-group MAE。它不包含受外部条款约束的数据或权重。

评测指标

Scientific Task Accuracy

Scientific Workflow Completeness

检查单位/方向、重复聚合、OOD split、预训练去重、public validation、点预测、区间或缺失说明、逐 split 评价和限制声明。

Scientific Reproducibility

检查原始/派生文件和 checkpoint 哈希、split manifest、训练/选择/校准日志、seed、软件版本、完整逐样本预测和一键重跑入口。

代码与数据的硬性约束

  1. Test-Yield Isolation:任何 test yield 均不得进入训练、选择、校准或提示。
  2. Fixed OOD Splits:不得把 Test1–4 重新随机拆分或混合后只报总体指标。
  3. Unit and Direction:标签为 0–100 百分比且越高越好,不得与 0–1 比例混用。
  4. Pretraining Deduplication:ORD/USPTO 等预训练数据必须排除 test exact duplicates。
  5. Validation-Only Selection:模型、权重、early stopping、clipping 和区间参数只由 public validation 确定。
  6. Raw Prediction Preservation:clipping 前后结果均保存。
  7. Uncertainty Honesty:未校准模型分数不得称置信区间。
  8. Worst-Group Reporting:不得只用 random split 或 macro average 隐藏最差 OOD 组。
  9. Domain Scope:结果只适用于该 C–N 偶联实验定义,不能泛化声称覆盖全部有机反应。
  10. No Route Feasibility Claim:预测收率不是多步路线成功概率。

Domain-Specific Failure Cases

参考文献与一手资源