Бензен

Бензен е органско хемиско соединение со молекулска формула C<sub>6</sub>H<sub>6</sub>. Молекулата на бензенот е составена од шест јаглеродни атоми споени во рамен прстен со по еден атом на водород прикачен на секој. Бидејќи содржи само атоми на јаглерод и водород, бензенот е класифициран како јаглеводород.
Бензенот е природна состојка на нафтата и е една од елементарните петрохемикалии. Поради цикличните континуирани пи врски помеѓу јаглеродните атоми, бензенот е класифициран како ароматичен јаглеводород. Бензенот е безбојна и многу запалива течност со сладок мирис и делумно е одговорен за аромата на бензинот. Се користи првенствено како прекурсор за производство на хемикалии со посложена структура, како што се етилбензен и кумен, од кои годишно се произведуваат милијарди килограми. Иако бензенот е главна индустриска хемикалија, тој наоѓа ограничена употреба во производите за широка потрошувачка поради неговата токсичност.
1 Историја
1.1 Откритие
Зборот „бензен“ потекнува од „гума бензоин“ (бензоинска смола), ароматична смола позната уште од античко време во Југоисточна Азија; а подоцна и на европските фармацевти и парфимерии во 16 век преку трговските патишта. Киселиот материјал бил извлечен од бензоин со сублимација и наречен „цвеќиња на бензоин“ или бензоева киселина. Јаглеводородот добиен од бензоева киселина на тој начин го добил името бензин, бензол или бензен. Мајкл Фарадеј прв го изолирал и идентификувал бензенот во 1825 година од маслениот остаток добиен од производството на осветлувачки гас, давајќи му го името ''бикарбура од водород''. Во 1833 година, Еилхард Мичерлих го произведе со дестилирање на бензоева киселина (од гума за бензоин) и вар. На соединението му го дал името бензин. Во 1836 година, францускиот хемичар Огист Лоран ја нарекол супстанцијата „фене“; овој збор стана корен на англискиот збор „фенол“, кој е хидроксилиран бензен и „фенил“, радикалот формиран со апстракција на водороден атом (слободен радикал H•) од бензен.
Во 1845 година, Чарлс Блахфорд Менсфилд, работејќи под Август Вилхелм фон Хофман, изолирал бензен од катран од јаглен. Четири години подоцна, Менсфилд го започна првото индустриско производство на бензен, врз основа на методот на јаглен-катран. Постепено, меѓу хемичарите се развило чувството дека голем број супстанции се хемиски поврзани со бензенот, што опфаќа различно хемиско семејство. Во 1855 година, Хофман го употребил зборот „ароматичен“ за да го означи овој семеен однос, по карактеристичното својство на многу негови членови. Во 1997 година, бензенот беше откриен во длабоката вселена.
1.2 Прстенеста формула
Историски предлози на бензен структури
Од Адолф Карл Лудвиг Клаус (1867), Од Џејмс Девар (1869), Од Алберт Ладенбург (1869)
Од Август Кекуле (1865/1872)
Од Хенри Едвард Армстронг (1887)<ref>In his 1890 paper, Armstrong represented benzene nuclei within polycyclic benzenoids by placing inside the benzene nuclei a letter "C", an abbreviation of the word "centric". Centric affinities (i.e., bonds) acted within a designated cycle of carbon atoms. From p. 102: " … benzene, according to this view, may be represented by a double ring, in fact." See:, Од Адолф фон Баер (1888), Од Фридрих Карл Јоханес Тиеле (1899)
Емпириската формула за бензен беше одамна позната, но неговата високо полинезаситена структура, со само еден водороден атом за секој јаглероден атом, беше предизвик да се утврди. Арчибалд Скот Купер во 1858 година и Јохан Јозеф Лошмит во 1861 година предложија можни структури кои содржеа повеќе двојни врски или повеќе прстени, но тогаш беа достапни премалку докази за да им помогнат на хемичарите да одлучат за одредена структура.
Во 1865 година, германскиот хемичар Фридрих Август Кекуле објави труд на француски (затоа што тогаш предаваше во франкофонска Белгија) сугерирајќи дека структурата содржи прстен од шест јаглеродни атоми со наизменични единечни и двојни врски. Следната година објавил многу подолг труд на германски јазик на истата тема. Кекуле користел докази што се акумулирале во изминатите години - имено, дека секогаш се чинеше дека има само еден изомер од кој било монодериват на бензенот и дека секогаш се чинеше дека има точно три изомери од секој дисупституиран дериват - сега се разбира дека одговара на орто , мета и пара шеми на замена на арен - да се аргументира во поддршка на неговата предложена структура. Симетричниот прстен на Кекуле може да ги објасни овие чудни факти, како и односот јаглерод-водород на бензен 1:1.
Новото разбирање на бензенот, а со тоа и на сите ароматични соединенија, се покажа како толку важно и за чистата и за применетата хемија што во 1890 година Германското хемиско друштво организираше елаборирана благодарност во чест на Кекуле, прославувајќи ја дваесет и петгодишнината од неговата прва публикација од бензен. Овде Кекуле зборуваше за создавањето на теоријата. Тој рече дека ја открил формата на прстенот на молекулата на бензенот откако видел на сон како змија си ја гризе сопствената опашка (ова е вообичаен симбол во многу древни култури познати како Ouroboros или бескраен јазол). Оваа визија, рече тој, му дошла по долгогодишно проучување на природата на врските јаглерод-јаглерод. Ова беше седум години откако тој го реши проблемот како атомите на јаглерод можат да се поврзат со четири други атоми во исто време. Интересно е што сличен, хумористичен приказ на бензенот се појавил во 1886 година во памфлетот со наслов Berichte der Durstigen Chemischen Gesellschaft (Весник на жедното хемиско друштво), пародија на Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, а само во секој од другите имало пародија круг, наместо змии како во анегдотата на Кекуле. Некои историчари сугерираат дека пародијата била лампун на анегдота за змијата, веројатно веќе добро позната преку усно пренесување, дури и ако сè уште не била објавена во печатена форма. Говорот на Кекуле од 1890 година во кој се појави оваа анегдота е преведен на англиски јазик. Ако анегдотата е сеќавање на вистински настан, околностите споменати во приказната сугерираат дека тоа мора да се случило рано во 1862 година.
Во 1929 година, цикличната природа на бензенот конечно беше потврдена од кристалографот Кетлин Лонсдејл користејќи методи на дифракција на Х-зраци. Користејќи големи кристали на хексаметилбензен, дериват на бензен со исто јадро од шест јаглеродни атоми, Лонсдејл добил шеми на дифракција. Преку пресметување на повеќе од триесет параметри, Лонсдејл покажа дека бензенскиот прстен не може да биде ништо друго освен рамен шестоаголник и обезбеди точни растојанија за сите јаглерод-јаглерод врски во молекулата.
1.3 Номенклатура
Германскиот хемичар Вилхелм Кернер ги предложил префиксите орто-, мета-, пара- за да се разликуваат ди-супституираните деривати на бензен во 1867 година; сепак, тој не ги користел префиксите за да ги разликува релативните позиции на супституентите на бензен прстен. Германскиот хемичар Карл Грабе, во 1869 година, прв ги употребил префиксите орто-, мета-, пара- за да означи специфични релативни локации на супституентите на ди-супституиран ароматичен прстен (т.е. нафталин). Во 1870 година, германскиот хемичар Виктор Мајер прв ја применил номенклатурата на Грабе на бензен.
1.4 Рани апликации
Во 19-тиот и почетокот на 20-тиот век, бензенот се користел како лосион за после бричење поради неговиот пријатен мирис. Како што стана очигледна неговата токсичност, бензенот беше заменет со други растворувачи, особено толуен (метилбензен), кој има слични физички својства, но не е толку канцероген.
Во 1903 година, Лудвиг Роселиус ја популаризирал употребата на бензен за декофеинизирање на кафето. Ова откритие доведе до производство на Санка. Овој процес подоцна беше прекинат. Бензенот историски се користел како значајна компонента во многу производи за широка потрошувачка, како што се течен клуч, неколку отстранувачи за боја, гумени цементи, отстранувачи на дамки и други производи. Производството на некои од овие формулации кои содржат бензен престана во околу 1950 година, иако Liquid Wrench продолжи да содржи значителни количини на бензен до крајот на 1970-тите.
1.5 Појава
Количините во трагови на бензен се наоѓаат во нафтата и јагленот. Тоа е нуспроизвод на нецелосно согорување на многу материјали. За комерцијална употреба, до Втората светска војна, голем дел од бензенот се добиваше како нуспроизвод од производството на кокс (или „лесно масло од печка за кокс“) за челичната индустрија. Меѓутоа, во 1950-тите, зголемената побарувачка за бензен, особено од растечката индустрија за полимери, наложи производство на бензен од нафта. Денес, најголемиот дел од бензенот доаѓа од петрохемиската индустрија, при што само мал дел се произведува од јаглен. На Марс се откриени молекули на бензен.
2 Структура
Дифракцијата на Х-зраци покажува дека сите шест јаглерод-јаглерод врски во бензенот се со иста должина, на 140 пикометри (pm). Должините на врската C-C се поголеми од двојна врска (135 pm), но пократки од единечна врска (147 pm). Ова средно растојание е предизвикано од делокализацијата на електроните: електроните за C=C врзувањето се распределуваат подеднакво помеѓу секој од шесте јаглеродни атоми. Бензенот има 6 атоми на водород, помалку од соодветниот матичен алкан, хексан, кој има 14. Бензенот и циклохексанот имаат слична структура, само прстенот на делокализирани електрони и загубата на еден водород по јаглерод го разликува од циклохексан. Молекулата е рамна. Описот на молекуларната орбитала вклучува формирање на три делокализирани π орбитали кои ги опфаќаат сите шест јаглеродни атоми, додека описот на валентната врска вклучува суперпозиција на резонантни структури. Многу е веројатно дека оваа стабилност придонесува за чудните молекуларни и хемиски својства познати како ароматичност. За точно да се одрази природата на поврзувањето, бензенот често се прикажува со круг во шестаголен распоред на атоми на јаглерод.
Дериватите на бензенот се појавуваат доволно често како компонента на органските молекули, толку многу што конзорциумот на Уникод доделил симбол во Различниот технички блок со шифра U+232C (⌬) за да го претстави со три двојни врски, и U+23E3 (⏣) за делокализирана верзија.
3 Деривати на бензен
Многу важни хемиски соединенија се добиени од бензен со замена на еден или повеќе од неговите водородни атоми со друга функционална група. Примери на едноставни деривати на бензен се фенол, толуен и анилин, скратено PhOH, PhMe и PhNH<sub>2</sub>, соодветно. Поврзувањето на бензенските прстени дава бифенил, C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>–C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>. Понатамошното губење на водород дава „споени“ ароматични јаглеводороди, како што се нафталин, антрацен, фенантрен и пирен. Границата на процесот на фузија е алотропот на јаглеродот без водород, графитот.
Во хетероциклите, атомите на јаглерод во бензенскиот прстен се заменуваат со други елементи. Најважните варијации содржат азот. Со замена на еден CH со N се добива соединението пиридин, C<sub>5</sub>H<sub>5</sub>N. Иако бензенот и пиридинот се структурно поврзани, бензенот не може да се претвори во пиридин. Замената на втората CH врска со N дава, во зависност од локацијата на вториот N, пиридазин, пиримидин или пиразин.
4 Производство
Четири хемиски процеси придонесуваат за индустриското производство на бензен: каталитичко реформирање, толуен хидродеалкилација, диспропорција на толуен и крекинг со пареа итн. Според ATSDR токсиколошкиот профил за бензен, помеѓу 1978 и 1981 година, каталитичките реформати сочинуваат приближно 44-50% од вкупното производство на бензен во САД.
4.1 Каталитичко реформирање
При каталитичко реформирање, мешавина од јаглеводороди со точки на вриење помеѓу 60 и 200 °C се меша со водороден гас, а потоа се изложува на бифункционален катализатор на платина хлорид или рениум хлорид на 500 – 525 °C и притисоци кои се движат од 8 – 50 atm. Под овие услови, алифатичните јаглеводороди формираат прстени и губат водород за да станат ароматични јаглеводороди. Ароматичните производи од реакцијата потоа се одвојуваат од реакционата смеса (или реформатираат) со екстракција со кој било од голем број растворувачи, вклучувајќи диетилен гликол или сулфолан, а бензенот потоа се одвојува од другите ароматици со дестилација. Чекорот на екстракција на ароматичните материи од реформатот е дизајниран да произведува ароматици со најниски неароматични компоненти. Обновувањето на ароматиката, вообичаено наречено BTX (бензен, толуен и ксиленски изомери), вклучува такви чекори на екстракција и дестилација.
На сличен начин како оваа каталитичка реформа, UOP и BP комерцијализираа метод од ТНГ (главно пропан и бутан) до ароматични материи.
4.2 Хидродеалкилација на толуен
Хидродеалкилацијата на толуен го претвора толуенот во бензен. Во овој водородно-интензивен процес, толуенот се меша со водородот, а потоа се пренесува преку катализатор на хром, молибден или платина оксид на 500 – 650 °C и притисок од 20 – 60 atm. Понекогаш наместо катализатор се користат повисоки температури (при слична состојба на реакција). Под овие услови, толуенот се подложува на делкилација во бензен и метан:
:C6H5CH3 + H2 -> C6H6 + CH4
Оваа неповратна реакција е придружена со рамнотежна странична реакција која произведува бифенил (ака дифенил) на повисока температура:
:2 +
Ако струјата на суровината содржи многу неароматични компоненти (парафини или нафтани), тие најверојатно се распаѓаат на пониски јаглеводороди како што е метан, што ја зголемува потрошувачката на водород.
Типичен принос на реакција надминува 95 %. Понекогаш, наместо толуен се користат ксилени и потешки ароматици, со слична ефикасност.
Ова често се нарекува „наменска“ методологија за производство на бензен, во споредба со конвенционалните процеси на екстракција на BTX (бензен-толуен-ксилен).
4.3 Непропорционалност на толуенот
Толуенската диспропорција (TDP) е конверзија на толуен во бензен и ксилен.
Со оглед на тоа што побарувачката за пара-ксилен (p-ксилен) значително ја надминува побарувачката за други изомери на ксилен, може да се користи усовршување на процесот TDP наречен Селективен TDP (STDP). Во овој процес, ксиленскиот тек што излегува од единицата TDP е приближно 90 % p-ксилен. Во некои системи, дури и односот бензен-ксилени е изменет за да ги фаворизира ксилените.
4.4 Крекинг со пареа
Крекинг со пареа е процес за производство на етилен и други алкени од алифатични јаглеводороди. Во зависност од суровината што се користи за производство на олефините, крекингот со пареа може да произведе течен нуспроизвод богат со бензен наречен пиролизен бензин. Пиролизниот бензин може да се помеша со други јаглеводороди како додаток на бензинот или да се префрли низ процес на екстракција за да се повратат ароматичните BTX (бензен, толуен и ксилени).
4.5 Други методи
Иако нема комерцијално значење, постојат многу други патишта до бензенот. Фенолот и халобензените можат да се редуцираат со метали. Бензоевата киселина и нејзините соли се подложени на декарбоксилација во бензен. Од реакцијата на диазониум соединението добиено од анилин со хипофосфорна киселина се добива бензен. Алкинската тримеризација на ацетилен дава бензен. Целосна декарбоксилација на мелитинската киселина дава бензен.
5 Употреба
Бензенот се користи главно како посредник за производство на други хемикалии, пред се етилбензен (и други алкилбензени), кумен, циклохексан и нитробензен. Во 1988 година беше објавено дека две третини од сите хемикалии на списоците на Американското хемиско друштво содржеле најмалку еден бензенов прстен. Повеќе од половина од целокупното производство на бензен се преработува во етилбензен, прекурсор на стиренот, кој се користи за производство на полимери и пластика како полистирен. Околу 20 % од производството на бензен се користи за производство на кумен, кој е потребен за производство на фенол и ацетон за смоли и лепила. Циклохексан троши околу 10 % од светското производство на бензен; првенствено се користи во производството на најлонски влакна, кои се преработуваат во текстил и инженерска пластика. Помали количини бензен се користат за производство на некои видови гуми, лубриканти, бои, детергенти, лекови, експлозиви и пестициди. Во 2013 година, земја со најголем потрошувач на бензен беше Кина, а потоа САД. Производството на бензен моментално се шири на Блискиот Исток и во Африка, додека производствените капацитети во Западна Европа и Северна Америка стагнираат.
Толуенот сега често се користи како замена за бензенот, на пример како додаток за гориво. Својствата на растворувачите на двете се слични, но толуенот е помалку токсичен и има поширок течен опсег. Толуенот исто така се преработува во бензен.
File:Benzene_uses.png|center|Главните стокови хемикалии и полимери добиени од бензен. Со кликнување на сликата се вчитува соодветната статија|600px|thumb
rect 39 660 435 807 Benzene
rect 665 60 1062 207 Ethylbenzene
rect 665 426 1062 579 Cumene
rect 665 795 1062 942 Cyclohexane
rect 665 1161 1062 1317 Aniline
rect 665 1533 1062 1686 Chlorobenzene
rect 1215 345 1614 495 Acetone
rect 1215 636 1614 783 Phenol
rect 1764 57 2163 210 Styrene
rect 1764 432 2163 585 Bisphenol A
rect 1764 1083 2163 1233 Adipic acid
rect 1764 1332 2163 1482 Caprolactam
rect 2313 57 2712 207 Polystyrene
rect 2313 315 2712 462 Polycarbonate
rect 2313 570 2712 717 Epoxy resin
rect 2313 822 2712 975 Phenolic resin
rect 2313 1083 2712 1233 Nylon 6-6
rect 2313 1335 2712 1485 Nylon 6
desc bottom-left
5.1 Компонента на бензинот
Како додаток на бензин, бензенот го зголемува бројот на октани и го намалува чукањето. Како последица на тоа, бензинот често содржел неколку проценти бензен пред 1950-тите, кога тетраетил олово го заменил како најшироко користен додаток против удари. Со глобалното исфрлање на оловниот бензин, бензенот се врати како додаток на бензинот во некои земји. Во Соединетите Американски Држави, загриженоста за неговите негативни здравствени ефекти и можноста бензенот да влезе во подземните води доведе до строго регулирање на содржината на бензен во бензинот, со граници обично околу 1 %. Европските спецификации за бензин сега ја содржат истата граница од 1 % на содржината на бензен. Агенцијата за заштита на животната средина на САД воведе нови регулативи во 2011 година со кои се намали содржината на бензен во бензинот на 0,62 %.
Во многу европски јазици, зборот за нафта или бензин е точно сроден на „бензен“.
6 Реакции
Најчестите реакции на бензенот вклучуваат замена на протон со други групи. Електрофилната ароматична супституција е општ метод за дериватизирање на бензенот. Бензенот е доволно нуклеофилен што е подложен на супституција со ацил јони и алкилни карбокатјони за да се добијат супституирани деривати.
::::
6.1 Friedel-Crafts-ово алкилирање и ацилрање
Во 1999 година беа произведени приближно 24.700.000 тони. Високо поучно, но со многу помалку индустриско значење е Friedel-Crafts-ово алкилирање на бензенот (и многу други ароматични прстени) со користење на алкил халид во присуство на силен катализатор на Луисова киселина. Слично на тоа, Friedel-Crafts-ово ацилација е поврзан пример на електрофилна ароматична замена. Реакцијата вклучува ацилирање на бензен (или многу други ароматични прстени) со ацил хлорид со користење на силен катализатор на Луисова киселина, како што е алуминиум хлорид или железо (III) хлорид.
6.2 Сулфонирање, хлорирање, нитрирање
Користејќи електрофилна ароматична супституција, многу функционални групи се воведуваат во рамката на бензен. Сулфонацијата на бензенот вклучува употреба на олеум, мешавина од сулфурна киселина со сулфур триоксид. Сулфонираните деривати на бензен се корисни детергенти. При нитрација, бензенот реагира со нитрониум јонот (NO<sub>2</sub><sup>+</sup>), кој е силен електрофил кој се произведува со комбинирање на сулфурна и азотна киселина. Нитробензенот е прекурсор на анилин. Хлорирањето се постигнува со употреба на хлор за да се добие хлоробензен во присуство на катализатор на Луисова киселина како што е алуминиум трихлорид.
6.3 Хидрогенирање
Преку хидрогенизација, бензенот и неговите деривати се претвораат во циклохексан и деривати. Оваа реакција се постигнува со употреба на високи притисоци на водород во присуство на хетерогени катализатори, како што е ситно поделен никел. Со оглед на тоа што алкените може да се хидрогенизираат во близина на собни температури, бензенот и сродните соединенија се поневолни супстрати, за кои се потребни температури > 100 °C. Оваа реакција се практикува во голем обем индустриски. Во отсуство на катализатор, бензенот е непропустлив за водород. Хидрогенизацијата не може да се запре за да се добијат циклохексен или циклохексадиени бидејќи тие се супериорни супстрати. Редукцијата на Бирч е некаталитички процес, но сепак селективно го хидрогенизира бензенот во диен.
6.4 Метални комплекси
Бензенот е одличен лиганд во органометалната хемија на нисковалентните метали. Важни примери ги вклучуваат комплексите сендвич и полу-сендвич, соодветно, Cr(C<sub>6</sub>H<sub>6</sub>)<sub>2</sub> и [RuCl<sub>2</sub>(C<sub>6</sub>H<sub>6</sub>)]<sub>2</sub>.
7 Здравствени ефекти
Бензенот е класифициран како канцероген, кој го зголемува ризикот од рак и други болести, а исто така е позната причина за откажување на коскената срцевина. Значителни количини на епидемиолошки, клинички и лабораториски податоци го поврзуваат бензенот со апластична анемија, акутна леукемија, абнормалности на коскената срцевина и кардиоваскуларни болести. Специфичните хематолошки малигни заболувања со кои е поврзан бензенот вклучуваат: акутна миелоидна леукемија (AML), апластична анемија, миелодиспластичен синдром (MDS), акутна лимфобластична леукемија (ALL) и хронична миелоидна леукемија (CML).
Американскиот институт за нафта (API) во 1948 година изјавил дека „генерално се смета дека единствената апсолутно безбедна концентрација на бензен е нула“. Нема безбедно ниво на изложеност; дури и мали количини може да предизвикаат штета. Американското Министерство за здравство и човечки услуги (DHHS) го класифицира бензенот како човечки канцероген. Долготрајната изложеност на прекумерно ниво на бензен во воздухот предизвикува леукемија, потенцијално фатален рак на органите кои формираат крв. Особено, акутната миелоидна леукемија или акутна нелимфоцитна леукемија (AML & ANLL) е предизвикана од бензен. IARC го оцени бензенот како „познат како канцероген за луѓето“ (Група 1).
Бидејќи бензенот е сеприсутен во бензинот и јаглеводородните горива кои се користат насекаде, изложеноста на човекот на бензен е глобален здравствен проблем. Бензенот ги таргетира црниот дроб, бубрезите, белите дробови, срцето и мозокот и може да предизвика прекин на нишката на ДНК и хромозомско оштетување. Бензенот предизвикува рак кај животните, вклучително и луѓето. Се покажа дека бензенот предизвикува рак кај двата пола на повеќе видови лабораториски животни изложени преку различни патишта.
8 Изложеност на бензен
Според Агенцијата за токсични супстанции и регистар на болести (ATSDR) (2007), бензенот е и синтетички направена и природна хемикалија од процеси кои вклучуваат: вулкански ерупции, диви пожари, синтеза на хемикалии како фенол, производство на синтетички влакна и производство на гуми, лубриканти, пестициди, лекови и бои. Главните извори на изложеност на бензен се тутунскиот чад, сервисните станици за автомобили, издувните гасови од моторните возила и индустриските емисии; сепак, голтање и дермална апсорпција на бензен може да се случи и преку контакт со контаминирана вода. Бензенот се метаболизира хепатално и се излачува во урината. Мерењето на нивото на воздухот и водата на бензенот се остварува преку собирање преку цевки со активен јаглен, кои потоа се анализираат со гасен хроматограф. Мерењето на бензенот кај луѓето може да се постигне преку тестови на урина, крв и здив; сепак, сите овие имаат свои ограничувања бидејќи бензенот брзо се метаболизира во човечкото тело.
Изложеноста на бензен може прогресивно да доведе до апластична анемија, леукемија и мултипен миелом.
OSHA ги регулира нивоата на бензен на работното место. Максималната дозволена количина на бензен во воздухот во работната просторија за време на 8-часовен работен ден, 40-часовна работна недела е 1 ppm. Бидејќи бензенот може да предизвика рак, NIOSH препорачува сите работници да носат специјална опрема за дишење кога постои веројатност да бидат изложени на бензен на нивоа што ја надминуваат препорачаната (8-часовна) граница на изложеност од 0,1 ppm.
8.1 Граници на изложеност на бензен
Агенцијата за заштита на животната средина на Соединетите држави постави максимално ниво на загадувачи за бензен во водата за пиење на 0,0005 mg/L (5 ppb), како што е објавено преку американските национални регулативи за примарна вода за пиење. Оваа регулатива се заснова на спречување на леукемогенезата на бензенот. Целта на максималното ниво на загадувачи (MCLG), неприменлива здравствена цел која би овозможила соодветна маргина на безбедност за спречување на негативни ефекти, е нулта концентрација на бензен во водата за пиење. ЕПА бара да се пријават истурање или случајно испуштање во околината на 10 lbs (4,5 kg) или повеќе бензен.
Управата за безбедност и здравје при работа на САД (OSHA) постави дозволена граница на изложеност од 1 дел бензен на милион делови воздух (1 ppm) на работното место за време на 8-часовен работен ден и 40-часовна работна недела. Краткорочното ограничување на изложеноста за бензенот во воздухот е 5 ppm за 15 минути. Овие законски ограничувања беа засновани на студии кои покажуваат убедливи докази за ризик по здравјето на работниците изложени на бензен. Ризикот од изложеност на 1 ppm за работен век е проценет како 5 вишок смртни случаи од леукемија на 1.000 вработени изложени. (Оваа проценка не претпоставува праг за канцерогени ефекти на бензенот.) OSHA, исто така, воспостави акционо ниво од 0,5 ppm за да поттикне уште помала изложеност на работното место.
Американскиот национален институт за безбедност и здравје при работа (NIOSH) ја ревидираше концентрацијата на бензен веднаш опасна по животот и здравјето (IDLH) на 500 ppm. Тековната дефиниција NIOSH за состојба IDLH, како што е дадена во логиката за избор на респиратори NIOSH, е онаа што претставува закана од изложеност на загадувачи во воздухот кога таа изложеност веројатно ќе предизвика смрт или непосредни или одложени трајни негативни здравствени ефекти или спречува бегство од таквa средина. Целта на утврдувањето на вредноста на IDLH е (1) да се осигура дека работникот може да избега од дадена контаминирана средина во случај на откажување на опремата за респираторна заштита и (2) се смета за максимално ниво над кое само високо сигурен апарат за дишење може да осигура безбедност на работникот. Дозволено е обезбедување максимална заштита на работниците. Во септември 1995 година, NIOSH издаде нова политика за развивање препорачани граници на изложеност (RELs) за супстанции, вклучително и канцерогени. Бидејќи бензенот може да предизвика рак, NIOSH препорачува сите работници да носат специјална опрема за дишење кога постои веројатност да бидат изложени на бензен на нивоа што ги надминуваат REL (10-час) од 0,1 ppm. Границата на краткорочна изложеност на NIOSH (STEL – 15 мин) е 1 ppm.
Американската конференција на владини индустриски хигиеничари (ACGIH) ги усвои праговите гранични вредности (TLVs) за бензен со 0,5 ppm TWA и 2,5 ppm STEL.
8.2 Токсикологија
8.2.1 Биомаркери на изложеност
Неколку тестови може да ја одредат изложеноста на бензен. Самиот бензен може да се мери во здив, крв или урина, но таквото тестирање обично е ограничено на првите 24 часа по изложувањето поради релативно брзото отстранување на хемикалијата со издишување или биотрансформација. Повеќето луѓе во развиените земји имаат мерливи основни нивоа на бензен и други ароматични нафтени јаглеводороди во крвта. Во телото, бензенот ензимски се претвора во серија производи на оксидација, вклучувајќи муконска киселина, фенилмеркаптурна киселина, фенол, катехол, хидрохинон и 1,2,4-трихидроксибензен. Повеќето од овие метаболити имаат одредена вредност како биомаркери на човековата изложеност, бидејќи тие се акумулираат во урината пропорционално на обемот и времетраењето на изложеноста и тие сè уште можат да бидат присутни неколку дена по престанокот на експозицијата. Тековните граници на биолошка изложеност на ACGIH за професионална изложеност се 500 μg/g креатинин за муконска киселина и 25 μg/g креатинин за фенилмеркаптурна киселина во примерок од урина на крајот на смената.
8.2.2 Биотрансформации
Дури и ако не е вообичаен супстрат за метаболизмот, бензенот може да се оксидира и од бактериите и од еукариотите. Кај бактериите, ензимот диоксигеназа може да додаде кислород во прстенот, а нестабилниот производ веднаш се редуцира (со NADH) до цикличен диол со две двојни врски, со што се крши ароматичноста. Следно, диолот е ново редуциран со NADH до катехол. Катехолот потоа се метаболизира до ацетил CoA и сукцинил CoA, кои се користат од организмите главно во циклусот на лимонска киселина за производство на енергија.
Патеката за метаболизмот на бензенот е сложена и започнува во црниот дроб. Вклучени се неколку ензими. Тие вклучуваат цитохром P450 2E1 (CYP2E1), кинин оксидоредуктаза (NQ01 или DT-дијафораза или NAD(P)H дехидрогеназа (хинон 1)), GSH и миелопероксидаза (MPO). CYP2E1 е вклучен во повеќе чекори: претворање на бензен во оксепин (бензен оксид), фенол во хидрохинон и хидрохинон и во бензентриол и во катехол. Хидрохинонот, бензентриолот и катехолот се претвораат во полифеноли. Во коскената срцевина, МПО ги претвора овие полифеноли во бензохинони. Овие посредници и метаболити индуцираат генотоксичност со повеќе механизми, вклучително и инхибиција на топоизомеразата II (која ја одржува структурата на хромозомот), нарушување на микротубулите (која ја одржува клеточната структура и организација), генерирање на слободни радикали на кислород (нестабилни видови) кои може да доведат до точкести мутации, зголемување оксидативен стрес, индуцирање прекини на ДНК ланците и менување на метилацијата на ДНК (што може да влијае на експресијата на гените). NQ01 и GSH го поместуваат метаболизмот од токсичност. NQ01 го метаболизира бензохинонот кон полифенолите (се спротивставува на ефектот на МПО). GSH е вклучен во формирањето на фенилмеркаптурна киселина
Генетските полиморфизми во овие ензими може да предизвикаат губење на функцијата или зголемување на функцијата. На пример, мутациите во CYP2E1 ја зголемуваат активноста и резултираат со зголемено генерирање на токсични метаболити. NQ01 мутациите резултираат со губење на функцијата и може да резултираат со намалена детоксикација. Мутациите на миелопероксидазата резултираат со губење на функцијата и може да резултираат со намалено создавање на токсични метаболити. GSH мутациите или бришењата резултираат со губење на функцијата и резултираат со намалена детоксикација. Овие гени може да бидат цели за генетски скрининг за подложност на токсичност на бензен.
8.2.3 Молекуларна токсикологија
Парадигмата на токсиколошка проценка на бензенот се менува кон доменот на молекуларната токсикологија бидејќи овозможува разбирање на основните биолошки механизми на подобар начин. Глутатионот се чини дека игра важна улога со тоа што штити од прекини на ДНК предизвикани од бензен и тој е идентификуван како нов биомаркер за изложеност и ефект. Бензенот предизвикува хромозомски аберации во периферните крвни леукоцити и коскената срцевина, објаснувајќи ја поголемата инциденца на леукемија и мултипен миелом предизвикани од хронична изложеност. Овие аберации може да се следат со користење на флуоресцентна ''in situ'' хибридизација (FISH) со ДНК сонди за да се проценат ефектите на бензенот заедно со хематолошките тестови како маркери за хематотоксичност. Метаболизмот на бензенот вклучува ензими кодирани од полиморфните гени. Истражувањата покажаа дека генотипот на овие локуси може да влијае на подложноста на токсичните ефекти од изложеноста на бензен. Поединци кои носат варијанта на NAD(P)H:хинон оксидоредуктаза 1 (NQO1), микрозомална епоксидна хидролаза (EPHX) и бришење на глутатион S-трансферазата T1 (GSTT1) покажаа поголема фреквенција на едноверижни прекини на ДНК.
8.2.4 Биолошка оксидација и канцерогена активност
Еден начин за разбирање на канцерогените ефекти на бензенот е со испитување на производите на биолошката оксидација. Чистиот бензен, на пример, оксидира во телото за да произведе епоксид, бензен оксид, кој не се излачува лесно и може да комуницира со ДНК за да произведе штетни мутации.
8.3 Патишта на изложеност
8.3.1 Вдишување
Надворешниот воздух може да содржи ниски нивоа на бензен од сервисните станици на автомобили, чад од дрво, чад од тутун, пренос на бензин, издувни гасови од моторни возила и индустриски емисии. Околу 50 % од целата изложеност на бензен на национално ниво (Соединетите Американски Држави) е резултат од пушење тутун или од изложеност на чад од тутун. Откако ќе испушел 32 цигари дневно, пушачот внесувал околу 1,8 милиграми (mg) бензен. Оваа количина е околу 10 пати поголема од просечниот дневен внес на бензен од непушачите.
Вдишениот бензен првенствено се исфрла непроменет преку издишување. Во студија со луѓе, 16,4 до 41,6 % од задржаниот бензен бил елиминиран преку белите дробови во рок од пет до седум часа по два до три часа изложеност на 47 до 110 ppm и само 0,07 до 0,2 % од преостанатиот бензен бил излачен непроменет во урината. По изложување на 63 до 405 mg/m<sup>3</sup> бензен во период од 1 до 5 часа, 51 до 87 % се излачувале во урината како фенол во период од 23 до 50 часа. Во друга човечка студија, 30 % од апсорбираниот кожен бензен, кој примарно се метаболизира во црниот дроб, се излачува како фенол во урината.
8.3.2 Изложеност од безалкохолни пијалаци
Под специфични услови и во присуство на други хемикалии бензоевата киселина (конзерванс) и аскорбинската киселина (витамин Ц) можат да комуницираат за да произведат бензен. Во март 2006 година, официјалната агенција за стандарди за храна во Обединетото Кралство спроведе истражување на 150 марки на безалкохолни пијалаци. Откри дека четири содржеле нивоа на бензен над границите на Светската здравствена организација. Засегнатите серии беа отстранети од продажба. Слични проблеми беа пријавени од ФДА во Соединетите Држави.
8.3.3 Контаминација на водоснабдувањето
Во 2005 година, водоснабдувањето на градот Харбин во Кина со население од речиси девет милиони луѓе, беше прекинато поради големата изложеност на бензен. Бензенот истече во реката Сонгхуа, која го снабдува градот со вода за пиење, по експлозијата во фабриката на кинеската национална нафтена корпорација (CNPC) во градот Џилин на 13 ноември 2005 година.
Кога пластичните водоводни цевки се изложени на висока топлина, водата може да биде контаминирана со бензен.
8.3.4 Геноцид
Нацистите користеле бензен администриран преку инјектирање како еден од многуте методи за убивање.