Gốc oh là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa gốc OH

Gốc OH, hay gốc hydroxyl tự do (ký hiệu ·OH), là phân tử bao gồm một nguyên tử oxy liên kết với một nguyên tử hydro và mang một electron chưa ghép đôi, khiến nó có tính phản ứng cao. Khi nhắc đến “gốc OH” trong bối cảnh hóa học môi trường hoặc sinh học, người ta thường nói về ·OH như một loại gốc tự do oxy hóa mạnh mẽ chịu trách nhiệm cho nhiều phản ứng phân hủy và oxy hóa trong hệ thống hóa học tự nhiên.

Nhóm hydroxyl (–OH) cũng là một khái niệm thường gặp trong hóa hữu cơ, nhưng nó khác với gốc tự do ·OH về trạng thái ổn định và tính chất. Nhóm –OH xuất hiện trong alcohol, phenol, acid carboxylic là cấu trúc hóa học bền vững, không mang electron đơn lẻ và không có tính oxy hóa mạnh như gốc ·OH.

Khi ở dạng gốc tự do ·OH, nó tồn tại trong thời gian rất ngắn, thường chỉ là nanô giây hoặc ít hơn, do phản ứng gần như tức thời với các phân tử xung quanh. Gốc ·OH có khả năng khởi đầu chuỗi phản ứng oxy hóa, phá vỡ các liên kết hữu cơ mạnh như liên kết đôi, vòng thơm, phân hủy hợp chất độc hại.

Phân biệt nhóm hydroxyl và gốc tự do hydroxyl

Nhóm hydroxyl (–OH) là nhóm chức ổn định, gắn cố định vào phân tử chủ, không có electron chưa ghép cặp, và không mang tính phản ứng mạnh theo cách của gốc tự do. Ví dụ: ethanol (CH₃CH₂–OH) chứa nhóm –OH là thành phần cấu tạo phân tử, không tấn công các phân tử khác như gốc ·OH.

Ngược lại, gốc tự do hydroxyl (·OH) có một electron tự do, khiến nó cực kỳ không bền và có xu hướng tìm kiếm electron từ các phân tử khác để ổn định bản thân. Vì vậy, ·OH thường phản ứng ngay khi được sinh ra, đặc biệt với hợp chất hữu cơ, protein, lipid và DNA trong môi trường sinh học hoặc môi trường nước/khí.

Dưới đây là bảng so sánh đặc điểm giữa hai dạng hydroxyl:

Loại	Công thức/biểu diễn	Tính ổn định	Hoạt tính oxy hóa
Nhóm hydroxyl	–OH	Ổn định	Thấp/không mạnh
Gốc tự do hydroxyl	·OH	Cực kỳ không ổn định	Cao

Đặc điểm hóa học của gốc OH tự do

Gốc ·OH là một trong những chất oxy hóa mạnh nhất trong hệ thống nước và khí quyển, với điện thế oxy hóa tiêu chuẩn khoảng $E^\circ = +2.80\,\text{V}$. Với mức năng lượng cao này, ·OH có khả năng oxy hóa hầu hết các hợp chất hữu cơ, kể cả những hợp chất có liên kết mạnh như vòng thơm hoặc liên kết bền bỉ.

Trong môi trường nước, ·OH có thể tấn công trực tiếp vào phân tử hữu cơ bằng cách thêm vào liên kết đôi, tách hydrogen hoặc loại bỏ electron để tạo ra các sản phẩm oxy hóa. Ví dụ, trong quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ, ·OH có thể phá vỡ các liên kết c—c, c—h, hoặc nhóm chức bất ổn khác.

Gốc ·OH có thời gian sống rất ngắn do độ phản ứng cao; khi được sinh ra, nó sẽ nhanh chóng thực hiện phản ứng với phân tử gần nhất. Do đó, nó thường tồn tại trong phạm vi nanô giây ($10^{-9}\,\text{s}$) và không tích tụ trong hệ thống.

Các cơ chế tạo gốc OH trong tự nhiên và công nghiệp

Trong tự nhiên và quy trình công nghiệp, ·OH được tạo thành qua nhiều con đường khác nhau, bao gồm tác động ánh sáng, phản ứng hóa học và môi trường sinh học. Những cơ chế này cung cấp nguồn gốc cho ·OH trong môi trường nước, khí quyển và hệ sinh học.

Một số cơ chế phổ biến gồm:

• Quang phân (photolysis) nước hoặc các phân tử chứa oxy: $H_2O + h\nu \rightarrow ·OH + H·$
• Phản ứng Fenton và Fenton-like: $Fe^{2+} + H_2O_2 \rightarrow Fe^{3+} + ·OH + OH^−$
• Phản ứng oxy hóa khử do tia UV hoặc tia ion hóa tạo ra gốc ·OH từ H₂O₂ hoặc ozone: ví dụ $O_3 + H_2O \rightarrow 2·OH + O_2$
• Trong hệ sinh học, gốc ·OH có thể sinh ra từ phản ứng chuyển hóa nội bào hoặc chuỗi electron thông qua tác động của kim loại chuyển đổi hoặc các enzym tạo ROS (reactive oxygen species)

Trong xử lý nước và không khí, người ta thường dùng các phương pháp oxy hóa nâng cao (AOP – Advanced Oxidation Processes) như UV/H₂O₂, ozon/UV, hay quá trình Fenton để tạo ·OH nhằm phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy.

Vai trò trong hóa học môi trường

Gốc hydroxyl tự do (·OH) đóng vai trò trung tâm trong quá trình làm sạch tự nhiên của khí quyển. Nhờ khả năng phản ứng với đa số các chất ô nhiễm hữu cơ dễ bay hơi (VOCs), khí nhà kính và một số hợp chất vô cơ, ·OH được xem như “chất tẩy khí quyển” (atmospheric detergent). Phản ứng điển hình nhất là với metan – một khí nhà kính mạnh: $CH_4 + ·OH \rightarrow CH_3· + H_2O$.

Gốc ·OH cũng giúp kiểm soát chu kỳ sống của các chất ô nhiễm trong tầng đối lưu. Mức độ hiện diện của ·OH trong khí quyển quyết định “tuổi thọ hóa học” của các khí như CO, NO₂, VOCs – từ đó ảnh hưởng đến chất lượng không khí, mưa axit và khả năng hình thành ozone tầng thấp.

Trong môi trường nước, đặc biệt là nước thải hoặc nước ngầm ô nhiễm, ·OH được sử dụng như một tác nhân oxy hóa mạnh để phân hủy hợp chất hữu cơ khó xử lý. Các kỹ thuật xử lý sử dụng ·OH như UV/H₂O₂, ozon hóa, Fenton được áp dụng phổ biến trong xử lý nước thải đô thị, công nghiệp và bùn thải chứa hợp chất hữu cơ bền vững.

Ảnh hưởng sinh học và độc tính

Gốc hydroxyl tự do được xem là một trong những tác nhân chính gây tổn thương oxy hóa trong cơ thể sinh vật. Khi sinh ra trong tế bào, ·OH có thể tấn công màng tế bào lipid (gây peroxid hóa lipid), làm biến tính protein và gây đột biến hoặc đứt gãy DNA.

Gốc ·OH thường được tạo ra trong cơ thể thông qua phản ứng Fenton nội sinh, đặc biệt khi ion kim loại như Fe²⁺ hoặc Cu⁺ hiện diện cùng với hydrogen peroxide. Chuỗi phản ứng tạo ROS có thể dẫn đến stress oxy hóa nếu vượt quá khả năng chống oxy hóa nội sinh của cơ thể.

Hậu quả sinh học bao gồm tổn thương tế bào, viêm mãn tính, lão hóa sớm và là cơ chế trung gian trong nhiều bệnh lý như ung thư, tiểu đường, Parkinson, Alzheimer. Các chất chống oxy hóa như glutathione, vitamin C, E, hoặc enzym như superoxide dismutase (SOD), catalase có vai trò quan trọng trong trung hòa gốc ·OH và bảo vệ tế bào.

Ứng dụng của gốc OH trong công nghệ và y sinh

Trong kỹ thuật môi trường, ·OH được khai thác như một chất oxy hóa siêu mạnh trong các công nghệ xử lý nước thải và khử trùng không khí. Các hệ thống UV/H₂O₂, ozon/UV và Fenton/Photo-Fenton được dùng để phá vỡ các hợp chất hữu cơ độc hại như thuốc trừ sâu, dược phẩm tồn dư, chất nhuộm và các hợp chất khó phân hủy khác.

So với clo hoặc các chất oxy hóa truyền thống, gốc ·OH không để lại sản phẩm phụ độc hại và có thể loại bỏ nhiều loại hợp chất hơn. Điều này làm cho các quy trình tạo ·OH trở thành giải pháp quan trọng trong việc nâng cao chất lượng nước cấp và nước tái sử dụng.

Trong y sinh học, hiểu biết về gốc ·OH giúp phát triển chiến lược kiểm soát stress oxy hóa và các bệnh liên quan. Một số liệu pháp phòng ngừa đang nghiên cứu tập trung vào việc tăng cường hệ thống chống oxy hóa tự nhiên hoặc sử dụng phân tử tổng hợp có khả năng bẫy và trung hòa gốc ·OH hiệu quả.

Kỹ thuật đo và định lượng gốc OH

Vì gốc ·OH có tuổi thọ rất ngắn, việc đo trực tiếp là thách thức lớn trong hóa học phân tích. Tuy nhiên, các kỹ thuật gián tiếp và phản ứng bẫy cho phép ước lượng chính xác nồng độ và hoạt tính của ·OH trong mẫu nghiên cứu.

• Phản ứng bẫy huỳnh quang: Dùng chất như terephthalic acid phản ứng với ·OH để tạo 2-hydroxyterephthalic acid có thể đo bằng huỳnh quang.
• Electron Spin Resonance (ESR): Kỹ thuật ghi nhận trực tiếp electron đơn bằng tín hiệu cộng hưởng từ.
• Phân tích sản phẩm oxy hóa: Định lượng 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine (8-OHdG) như một chỉ dấu tổn thương DNA do ·OH.

Một chỉ số định lượng mức kháng oxy hóa của môi trường đối với ·OH là chỉ số scavenging:

$Scavenging\% = \left(1 - \frac{I_{sample}}{I_{control}}\right) \times 100$

Trong đó $I_{sample}$ là cường độ tín hiệu huỳnh quang khi có mẫu thử, $I_{control}$ là tín hiệu không có mẫu thử.

Vai trò trong mô hình hóa và dự báo khí quyển

Trong mô hình khí hậu và dự báo chất lượng không khí, gốc hydroxyl tự do là biến số quan trọng được sử dụng để xác định tuổi thọ trung bình của các chất khí phản ứng. Vì ·OH phản ứng nhanh với VOCs và khí nhà kính, mô hình phải tính đến nồng độ và sự biến động theo thời gian, độ cao và địa lý.

Việc ước lượng nồng độ ·OH trong tầng đối lưu giúp mô phỏng quá trình phân rã của CH₄, CO và các dẫn xuất hữu cơ, từ đó đưa ra dự báo chính xác về hiệu ứng nhà kính, mưa axit và hình thành tầng ozone thấp. Các mô hình khí quyển hiện đại như GEOS-Chem, WRF-Chem sử dụng dữ liệu về phản ứng gốc ·OH để mô phỏng nồng độ ozone, khí độc và chất ô nhiễm trong các tình huống môi trường khác nhau.

Sự thay đổi theo mùa và vùng địa lý của gốc ·OH cũng là công cụ phân tích nguồn gốc và khuếch tán ô nhiễm xuyên biên giới, hỗ trợ hoạch định chính sách khí hậu và kiểm soát phát thải quốc tế.

Tài liệu tham khảo

1. Monks PS et al. Atmospheric composition change – global and regional air quality. Nature. 2009.
2. Pignatello JJ et al. Advanced oxidation processes for organic contaminant destruction. Chemical Reviews. 2006.
3. Halliwell B, Gutteridge JMC. Free Radicals in Biology and Medicine. Oxford University Press; 2015.
4. Buxton GV et al. Critical Review of Rate Constants for Reactions of Hydrated Electrons, Hydrogen Atoms and Hydroxyl Radicals. J. Phys. Chem. Ref. Data. 1988.
5. World Health Organization. Oxidative Stress and Human Health. WHO Report.