Как учёные находят катализатор для определенных реакций?

На подбор катализатора напрямую влияет механизм реакции. Ученые изучают механизм и понимают, с помощью каких соединений можно ускорить ту или иную стадию. Возьмем, к примеру, реакцию электрофильного ароматического замещения, механизм которой указан на картинке. Данная реакция очень хорошо катализируется кислотами Льюиса, в числе которых кстати и AlCl3. Кислоты Льюиса имеют "очень активную" свободную орбиталь, т. к. атомы галогенов стягивают электронную плотность с атома металла. Таким образом, кислота Льюиса "разделяет", например, молекулу брома, из-за чего у нас в реакционной среде появляется явная электрофильная частица - Br+(рисунок ниже). Именно это ускоряет ход реакции, так как без действия кислоты Льюиса, например в обычной бромной воде, концентрация таких ионов будет мала и реакция будет идти очень медленно. И это один из примеров, который доказывает факт того, что подбор катализатора для конкретной реакции осуществляется анализом механизма реакции, конкретных его стадий и участвующих в них интермедиатов. (Схемы реакций - Сальников О. Г. , Конев В. Н. "Органическая химия для олимпиадников")

В основном - перебором. Особенно если мы говорим о таких давно известных процессах, как изомеризация алканов, которые были разработаны в те времена, когда квантовохимических расчётов ещё не бывало. Сегодня перебор чуть более разумный за счёт того, что известно, какие классы соединений часто бывают хорошими катализаторами (например, AlCl3 - типичная кислота Льюиса).