Benceno

El benceno (también llamado ciclohexatrieno) es un compuesto químico orgánico con la fórmula molecular C ₆ H ₆. La molécula de benceno se compone de seis átomos de carbono unidos en un anillo plano con un átomo de hidrógeno unido a cada uno. Debido a que contiene solo átomos de carbono e hidrógeno, el benceno se clasifica como un hidrocarburo.

El benceno es un componente natural del petróleo crudo y es uno de los productos petroquímicos elementales. Debido a los enlaces pi continuos cíclicos entre los átomos de carbono, el benceno se clasifica como un hidrocarburo aromático. A veces se abrevia PhH. El benceno es un líquido incoloro y altamente inflamable con un olor dulce y es parcialmente responsable del aroma alrededor de las estaciones de servicio (gasolina). Se utiliza principalmente como precursor de la fabricación de productos químicos de estructura más compleja, como el etilbenceno y el cumeno, de los que se producen miles de millones de kilogramos al año. Aunque es un químico industrial importante, el benceno tiene un uso limitado en artículos de consumo debido a su toxicidad.

Historia

Descubrimiento

La palabra "benceno" deriva de "goma de benjuí" (resina de benjuí), una resina aromática conocida por los farmacéuticos y perfumistas europeos desde el siglo XVI como un producto del sudeste asiático. Un material ácido se derivó del benjuí por sublimación y se denominó "flores de benjuí" o ácido benzoico. El hidrocarburo derivado del ácido benzoico adquirió así el nombre de bencina, benzol o benceno. Michael Faraday aisló e identificó por primera vez el benceno en 1825 a partir del residuo aceitoso derivado de la producción de gas de alumbrado, dándole el nombre de bicarburo de hidrógeno. En 1833, Eilhard Mitscherlich lo produjo destilando ácido benzoico (de la goma de benjuí) y cal. Le dio al compuesto el nombre de bencina.En 1836, el químico francés Auguste Laurent nombró a la sustancia "phène"; esta palabra se ha convertido en la raíz de la palabra inglesa "fenol", que es benceno hidroxilado, y "fenilo", el radical formado por la abstracción de un átomo de hidrógeno (radical libre H•) del benceno.

En 1845, Charles Mansfield, trabajando con August Wilhelm von Hofmann, aisló el benceno del alquitrán de hulla. Cuatro años después, Mansfield inició la primera producción de benceno a escala industrial, basada en el método del alquitrán de hulla. Gradualmente, se desarrolló entre los químicos la sensación de que varias sustancias estaban relacionadas químicamente con el benceno y comprendían una familia química diversa. En 1855, Hofmann usó la palabra "aromático" para designar esta relación familiar, por una propiedad característica de muchos de sus miembros. En 1997, se detectó benceno en el espacio profundo.

Fórmula de anillo

La fórmula empírica del benceno se conocía desde hace mucho tiempo, pero su estructura altamente poliinsaturada, con solo un átomo de hidrógeno por cada átomo de carbono, era difícil de determinar. Archibald Scott Couper en 1858 y Johann Josef Loschmidt en 1861 sugirieron posibles estructuras que contenían múltiples dobles enlaces o múltiples anillos, pero entonces había muy poca evidencia disponible para ayudar a los químicos a decidir sobre una estructura en particular.

En 1865, el químico alemán Friedrich August Kekulé publicó un artículo en francés (porque entonces enseñaba en la Bélgica francófona) en el que sugería que la estructura contenía un anillo de seis átomos de carbono con enlaces simples y dobles alternantes. Al año siguiente publicó un artículo mucho más extenso en alemán sobre el mismo tema. Kekulé usó evidencia que se había acumulado en los años intermedios, es decir, que siempre parecía haber un solo isómero de cualquier monoderivado del benceno, y que siempre parecía haber exactamente tres isómeros de cada derivado disustituido, ahora se entiende que corresponde al orto. patrones, meta y para de sustitución de arenos, para argumentar en apoyo de su estructura propuesta. El anillo simétrico de Kekulé podría explicar estos hechos curiosos, así como la relación carbono-hidrógeno 1:1 del benceno.

La nueva comprensión del benceno, y por lo tanto de todos los compuestos aromáticos, demostró ser tan importante tanto para la química pura como para la química aplicada que en 1890 la Sociedad Química Alemana organizó una elaborada apreciación en honor de Kekulé, celebrando el vigésimo quinto aniversario de su primer artículo sobre el benceno.. Aquí Kekulé habló de la creación de la teoría. Dijo que había descubierto la forma de anillo de la molécula de benceno después de tener una ensoñación o un sueño de una serpiente agarrando su propia cola (este es un símbolo común en muchas culturas antiguas conocido como el Ouroboros o el nudo sin fin).Esta visión, dijo, le llegó después de años de estudiar la naturaleza de los enlaces carbono-carbono. Esto fue 7 años después de haber resuelto el problema de cómo los átomos de carbono podían unirse con hasta otros cuatro átomos al mismo tiempo. Curiosamente, una descripción humorística similar del benceno había aparecido en 1886 en un panfleto titulado Berichte der Durstigen Chemischen Gesellschaft (Diario de la Thirsty Chemical Society), una parodia del Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, solo que la parodia tenía monos agarrándose unos a otros en un círculo, en lugar de serpientes como en la anécdota de Kekulé. Algunos historiadores han sugerido que la parodia era una parodia de la anécdota de la serpiente, posiblemente ya conocida por transmisión oral, aunque aún no había aparecido impresa.El discurso de Kekulé de 1890 en el que aparecía esta anécdota ha sido traducido al inglés. Si la anécdota es el recuerdo de un hecho real, las circunstancias mencionadas en el relato sugieren que debió ocurrir a principios de 1862.

En 1929, la cristalógrafa Kathleen Lonsdale finalmente confirmó la naturaleza cíclica del benceno utilizando métodos de difracción de rayos X. Utilizando grandes cristales de hexametilbenceno, un derivado del benceno con el mismo núcleo de seis átomos de carbono, Lonsdale obtuvo patrones de difracción. Mediante el cálculo de más de treinta parámetros, Lonsdale demostró que el anillo de benceno no podía ser otra cosa que un hexágono plano y proporcionó distancias precisas para todos los enlaces carbono-carbono en la molécula.

Nomenclatura

El químico alemán Wilhelm Körner sugirió los prefijos orto-, meta-, para- para distinguir los derivados de benceno disustituidos en 1867; sin embargo, no usó los prefijos para distinguir las posiciones relativas de los sustituyentes en un anillo de benceno. Fue el químico alemán Karl Gräbe quien, en 1869, utilizó por primera vez los prefijos orto-, meta-, para- para indicar ubicaciones relativas específicas de los sustituyentes en un anillo aromático disustituido (a saber, naftaleno). En 1870, el químico alemán Viktor Meyer aplicó por primera vez la nomenclatura de Gräbe al benceno.

Primeras aplicaciones

En el siglo XIX y principios del XX, el benceno se usaba como loción para después del afeitado debido a su agradable olor. Antes de la década de 1920, el benceno se usaba con frecuencia como solvente industrial, especialmente para desengrasar metales. A medida que su toxicidad se hizo evidente, el benceno fue reemplazado por otros solventes, especialmente el tolueno (metilbenceno), que tiene propiedades físicas similares pero no es tan cancerígeno.

En 1903, Ludwig Roselius popularizó el uso del benceno para descafeinar el café. Este descubrimiento condujo a la producción de Sanka. Este proceso se suspendió más tarde. Históricamente, el benceno se usó como un componente importante en muchos productos de consumo, como Liquid Wrench, varios decapantes de pintura, cementos de caucho, quitamanchas y otros productos. La fabricación de algunas de estas formulaciones que contienen benceno cesó alrededor de 1950, aunque Liquid Wrench continuó conteniendo cantidades significativas de benceno hasta finales de la década de 1970.

Ocurrencia

Se encuentran trazas de benceno en el petróleo y el carbón. Es un subproducto de la combustión incompleta de muchos materiales. Para uso comercial, hasta la Segunda Guerra Mundial, la mayor parte del benceno se obtenía como subproducto de la producción de coque (o "aceite ligero de horno de coque") para la industria del acero. Sin embargo, en la década de 1950, la mayor demanda de benceno, especialmente de la creciente industria de polímeros, requirió la producción de benceno a partir del petróleo. Hoy en día, la mayor parte del benceno proviene de la industria petroquímica y solo una pequeña fracción se produce a partir del carbón. Se han detectado moléculas de benceno en Marte.

Estructura

La difracción de rayos X muestra que los seis enlaces carbono-carbono en el benceno tienen la misma longitud, a 140 picómetros (pm). Las longitudes de los enlaces C-C son mayores que un enlace doble (135 pm) pero más cortas que un enlace simple (147 pm). Esta distancia intermedia es causada por la deslocalización de electrones: los electrones para el enlace C=C se distribuyen por igual entre cada uno de los seis átomos de carbono. El benceno tiene 6 átomos de hidrógeno, menos que el alcano original correspondiente, el hexano, que tiene 14. El benceno y el ciclohexano tienen una estructura similar, solo el anillo de electrones deslocalizados y la pérdida de un hidrógeno por carbono lo distinguen del ciclohexano. La molécula es plana.La descripción del orbital molecular implica la formación de tres orbitales π deslocalizados que abarcan los seis átomos de carbono, mientras que la descripción del enlace de valencia implica una superposición de estructuras de resonancia. Es probable que esta estabilidad contribuya a las peculiares propiedades moleculares y químicas conocidas como aromaticidad. Para reflejar con precisión la naturaleza del enlace, el benceno a menudo se representa con un círculo dentro de una disposición hexagonal de átomos de carbono.

Los derivados del benceno se encuentran con tanta frecuencia como componente de las moléculas orgánicas que el Consorcio Unicode ha asignado un símbolo en el bloque técnico misceláneo con el código U+232C (⌬) para representarlo con tres dobles enlaces, y U+23E3 (⏣) para una versión deslocalizada.

Derivados del benceno

Muchos compuestos químicos importantes se derivan del benceno reemplazando uno o más de sus átomos de hidrógeno con otro grupo funcional. Ejemplos de derivados de benceno simples son fenol, tolueno y anilina, abreviados como PhOH, PhMe y PhNH ₂, respectivamente. La unión de anillos de benceno da bifenilo, C ₆ H ₅ –C ₆ H ₅. La pérdida adicional de hidrógeno da hidrocarburos aromáticos "fusionados", como naftaleno, antraceno, fenantreno y pireno. El límite del proceso de fusión es el alótropo libre de hidrógeno del carbono, el grafito.

En los heterociclos, los átomos de carbono en el anillo de benceno se reemplazan con otros elementos. Las variaciones más importantes contienen nitrógeno. Reemplazar un CH con N da el compuesto piridina, C ₅ H ₅ N. Aunque el benceno y la piridina están relacionados estructuralmente, el benceno no se puede convertir en piridina. El reemplazo de un segundo enlace CH con N da, según la ubicación del segundo N, piridazina, pirimidina o pirazina.

Producción

Cuatro procesos químicos contribuyen a la producción industrial de benceno: reformado catalítico, hidrodesalquilación de tolueno, desproporción de tolueno y craqueo al vapor. Según el perfil toxicológico de la ATSDR para el benceno, entre 1978 y 1981, los reformados catalíticos representaron aproximadamente el 44-50 % de la producción total de benceno en EE. UU.

Reformado catalítico

En el reformado catalítico, una mezcla de hidrocarburos con puntos de ebullición entre 60 y 200 °C se combina con gas hidrógeno y luego se expone a un catalizador bifuncional de cloruro de platino o cloruro de renio a 500-525 °C y presiones que oscilan entre 8 y 50 atm. En estas condiciones, los hidrocarburos alifáticos forman anillos y pierden hidrógeno para convertirse en hidrocarburos aromáticos. Los productos aromáticos de la reacción luego se separan de la mezcla de reacción (o reformado) por extracción con cualquiera de varios solventes, incluyendo dietilenglicol o sulfolano, y luego el benceno se separa de los otros compuestos aromáticos por destilación. El paso de extracción de aromáticos del reformado está diseñado para producir aromáticos con los componentes no aromáticos más bajos. Recuperación de los aromáticos, comúnmente denominados BTX (isómeros de benceno, tolueno y xileno),

De manera similar a este reformado catalítico, UOP y BP comercializaron un método de GLP (principalmente propano y butano) a aromáticos.

Hidrodesalquilación de tolueno

La hidrodesalquilación del tolueno convierte el tolueno en benceno. En este proceso intensivo en hidrógeno, el tolueno se mezcla con hidrógeno, luego se pasa sobre un catalizador de cromo, molibdeno u óxido de platino a 500–650 °C y 20–60 atm de presión. A veces, se usan temperaturas más altas en lugar de un catalizador (en condiciones de reacción similares). En estas condiciones, el tolueno se desalquila a benceno y metano:C ₆ H ₅ CH ₃ + H ₂ → C ₆ H ₆ + CH ₄

Esta reacción irreversible va acompañada de una reacción secundaria de equilibrio que produce bifenilo (también conocido como difenilo) a una temperatura más alta:2C _₆H₆⇌H _₂+ C₆H₅-C₆H₅

Si la corriente de materia prima contiene muchos componentes no aromáticos (parafinas o naftenos), es probable que se descompongan en hidrocarburos inferiores como el metano, lo que aumenta el consumo de hidrógeno.

Un rendimiento de reacción típico supera el 95%. A veces, se utilizan xilenos y compuestos aromáticos más pesados ​​en lugar de tolueno, con una eficacia similar.

Esto a menudo se denomina metodología "a propósito" para producir benceno, en comparación con los procesos de extracción BTX (benceno-tolueno-xileno) convencionales.

Desproporción de tolueno

La desproporción de tolueno (TDP) es la conversión de tolueno en benceno y xileno.

Dado que la demanda de para -xileno (p -xileno) excede sustancialmente la demanda de otros isómeros de xileno, se puede utilizar un refinamiento del proceso TDP denominado TDP selectivo (STDP). En este proceso, la corriente de xileno que sale de la unidad TDP es aproximadamente un 90 % de p -xileno. En algunos sistemas, incluso la proporción de benceno a xilenos se modifica para favorecer a los xilenos.

Craqueo al vapor

El craqueo al vapor es el proceso para producir etileno y otros alquenos a partir de hidrocarburos alifáticos. Dependiendo de la materia prima utilizada para producir las olefinas, el craqueo al vapor puede producir un subproducto líquido rico en benceno llamado gasolina de pirólisis. La gasolina de pirólisis se puede mezclar con otros hidrocarburos como aditivo de gasolina, o se puede enrutar a través de un proceso de extracción para recuperar compuestos aromáticos BTX (benceno, tolueno y xilenos).

Otros metodos

Aunque no tiene importancia comercial, existen muchas otras rutas hacia el benceno. El fenol y los halobencenos se pueden reducir con metales. El ácido benzoico y sus sales sufren descarboxilación a benceno. La reacción del compuesto de diazonio derivado de la anilina con ácido hipofosforoso da benceno. La trimerización con alquinos del acetileno da benceno.

Usos

El benceno se utiliza principalmente como intermediario para fabricar otros productos químicos, sobre todo etilbenceno, cumeno, ciclohexano, nitrobenceno y alquilbenceno. En 1988 se informó que dos tercios de todos los productos químicos en las listas de la American Chemical Society contenían al menos un anillo de benceno.Más de la mitad de toda la producción de benceno se procesa en etilbenceno, un precursor del estireno, que se utiliza para fabricar polímeros y plásticos como poliestireno y EPS. Alrededor del 20% de la producción de benceno se utiliza para fabricar cumeno, que se necesita para producir fenol y acetona para resinas y adhesivos. El ciclohexano consume alrededor del 10% de la producción mundial de benceno; se utiliza principalmente en la fabricación de fibras de nylon, que se procesan en textiles y plásticos de ingeniería. Se utilizan cantidades más pequeñas de benceno para fabricar algunos tipos de cauchos, lubricantes, tintes, detergentes, medicamentos, explosivos y pesticidas. En 2013, el mayor país consumidor de benceno fue China, seguido de Estados Unidos. La producción de benceno se está expandiendo actualmente en el Medio Oriente y en África,

El tolueno ahora se usa a menudo como sustituto del benceno, por ejemplo, como aditivo para combustibles. Las propiedades disolventes de los dos son similares, pero el tolueno es menos tóxico y tiene un rango líquido más amplio. El tolueno también se procesa en benceno.

Principales productos químicos básicos y polímeros derivados del benceno. Al hacer clic en la imagen se carga el artículo apropiado

Componente de la gasolina

Como aditivo de gasolina (gasolina), el benceno aumenta el octanaje y reduce la detonación. Como consecuencia, la gasolina a menudo contenía varios porcentajes de benceno antes de la década de 1950, cuando el tetraetilo de plomo lo reemplazó como el aditivo antidetonante más utilizado. Con la eliminación global de la gasolina con plomo, el benceno ha regresado como aditivo de la gasolina en algunas naciones. En los Estados Unidos, la preocupación por sus efectos negativos para la salud y la posibilidad de que el benceno ingrese a las aguas subterráneas ha llevado a una regulación estricta del contenido de benceno de la gasolina, con límites típicamente alrededor del 1%. Las especificaciones europeas de gasolina ahora contienen el mismo límite del 1% en el contenido de benceno. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos introdujo nuevas regulaciones en 2011 que redujeron el contenido de benceno en la gasolina al 0,62 %.En muchos idiomas europeos, la palabra petróleo o gasolina es un cognado exacto de "benceno".

Reacciones

Las reacciones más comunes del benceno implican la sustitución de un protón por otros grupos. La sustitución aromática electrófila es un método general para derivatizar el benceno. El benceno es lo suficientemente nucleófilo como para sufrir sustitución por iones acilio y carbocationes de alquilo para dar derivados sustituidos.

Sustitución aromática electrófila del benceno

El ejemplo más practicado de esta reacción es la etilación del benceno.

En 1999 se produjeron aproximadamente 24.700.000 toneladas. Muy instructiva pero de mucha menos importancia industrial es la alquilación de benceno (y muchos otros anillos aromáticos) de Friedel-Crafts utilizando un haluro de alquilo en presencia de un fuerte catalizador ácido de Lewis. De manera similar, la acilación de Friedel-Crafts es un ejemplo relacionado de sustitución aromática electrófila. La reacción implica la acilación del benceno (o muchos otros anillos aromáticos) con un cloruro de acilo utilizando un catalizador de ácido de Lewis fuerte como el cloruro de aluminio o el cloruro de hierro (III).

Alquilación Friedel-Crafts de benceno por cloruro de acetilo

Sulfonación, cloración, nitración

Usando sustitución aromática electrófila, muchos grupos funcionales se introducen en el marco de benceno. La sulfonación del benceno implica el uso de oleum, una mezcla de ácido sulfúrico con trióxido de azufre. Los derivados de benceno sulfonados son detergentes útiles. En la nitración, el benceno reacciona con iones de nitronio (NO ₂), que es un electrófilo fuerte producido por la combinación de ácidos sulfúrico y nítrico. El nitrobenceno es el precursor de la anilina. La cloración se logra con cloro para dar clorobenceno en presencia de un catalizador ácido de Lewis como el tricloruro de aluminio.

Hidrogenación

A través de la hidrogenación, el benceno y sus derivados se convierten en ciclohexano y derivados. Esta reacción se logra mediante el uso de altas presiones de hidrógeno en presencia de catalizadores heterogéneos, como el níquel finamente dividido. Mientras que los alquenos pueden hidrogenarse cerca de la temperatura ambiente, el benceno y los compuestos relacionados son sustratos más reacios y requieren temperaturas >100 °C. Esta reacción se practica industrialmente a gran escala. En ausencia del catalizador, el benceno es impermeable al hidrógeno. La hidrogenación no se puede detener para dar ciclohexeno o ciclohexadienos, ya que estos son sustratos superiores. La reducción de abedul, un proceso no catalítico, sin embargo, hidrogena selectivamente el benceno a dieno.

Complejos metálicos

El benceno es un excelente ligando en la química organometálica de los metales de baja valencia. Entre los ejemplos importantes se incluyen los complejos sándwich y medio sándwich, respectivamente, Cr(C ₆ H ₆) ₂ y [RuCl ₂ (C ₆ H ₆)] ₂.

Efectos en la salud

El benceno está clasificado como carcinógeno, lo que aumenta el riesgo de cáncer y otras enfermedades, y también es una causa notoria de insuficiencia de la médula ósea. Cantidades sustanciales de datos epidemiológicos, clínicos y de laboratorio relacionan el benceno con la anemia aplásica, la leucemia aguda, las anomalías de la médula ósea y las enfermedades cardiovasculares. Las neoplasias malignas hematológicas específicas con las que se asocia el benceno incluyen: leucemia mieloide aguda (LMA), anemia aplásica, síndrome mielodisplásico (SMD), leucemia linfoblástica aguda (LLA) y leucemia mieloide crónica (LMC).

El Instituto Americano del Petróleo (API) declaró en 1948 que "generalmente se considera que la única concentración absolutamente segura para el benceno es cero". No existe un nivel de exposición seguro; incluso pequeñas cantidades pueden causar daño. El Departamento de Salud y Servicios Humanos de los Estados Unidos (DHHS) clasifica el benceno como carcinógeno humano. La exposición a largo plazo a niveles excesivos de benceno en el aire provoca leucemia, un cáncer potencialmente mortal de los órganos que forman la sangre. En particular, no se discute que la leucemia mieloide aguda o la leucemia no linfocítica aguda (AML y ANLL) son causadas por el benceno. La IARC calificó al benceno como "conocido como cancerígeno para los humanos" (Grupo 1).

Dado que el benceno es omnipresente en la gasolina y los combustibles de hidrocarburos que se utilizan en todas partes, la exposición humana al benceno es un problema de salud mundial. El benceno se dirige al hígado, los riñones, los pulmones, el corazón y el cerebro y puede causar roturas de la cadena de ADN y daño cromosómico. El benceno causa cáncer en animales, incluidos los humanos. Se ha demostrado que el benceno causa cáncer en ambos sexos de múltiples especies de animales de laboratorio expuestos a través de varias vías.

Exposición al benceno

De acuerdo con la Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades (ATSDR) (2007), el benceno es un producto químico de origen sintético y natural a partir de procesos que incluyen: erupciones volcánicas, incendios forestales, síntesis de productos químicos como el fenol, producción de fibras sintéticas y fabricación de cauchos, lubricantes, pesticidas, medicamentos y tintes. Las principales fuentes de exposición al benceno son el humo del tabaco, las estaciones de servicio de automóviles, los gases de escape de los vehículos motorizados y las emisiones industriales; sin embargo, la ingestión y absorción dérmica de benceno también puede ocurrir a través del contacto con agua contaminada. El benceno se metaboliza hepáticamente y se excreta en la orina. La medición de los niveles de benceno en el aire y el agua se logra mediante la recolección a través de tubos de carbón activado, que luego se analizan con un cromatógrafo de gases. La medición de benceno en humanos se puede lograr mediante pruebas de orina, sangre y aliento; sin embargo, todos estos tienen sus limitaciones porque el benceno se metaboliza rápidamente en el cuerpo humano.

La exposición al benceno puede provocar progresivamente anemia aplásica, leucemia y mieloma múltiple.

OSHA regula los niveles de benceno en el lugar de trabajo. La cantidad máxima permitida de benceno en el aire del lugar de trabajo durante una jornada laboral de 8 horas, una semana laboral de 40 horas es de 1 ppm. Como el benceno puede causar cáncer, NIOSH recomienda que todos los trabajadores usen equipo de respiración especial cuando es probable que estén expuestos al benceno a niveles que excedan el límite de exposición recomendado (8 horas) de 0,1 ppm.

Límites de exposición al benceno

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos ha establecido un nivel máximo de contaminante (MCL) para el benceno en el agua potable en 0,005 mg/L (5 ppb), según lo promulgado a través de las Regulaciones Nacionales de Agua Potable Primaria de los Estados Unidos. Esta regulación se basa en la prevención de la leucemogénesis del benceno. La meta de nivel máximo de contaminante (MCLG), una meta de salud no exigible que permitiría un margen adecuado de seguridad para la prevención de efectos adversos, es una concentración cero de benceno en el agua potable. La EPA exige que se notifiquen los derrames o liberaciones accidentales al medio ambiente de 10 libras (4,5 kg) o más de benceno.

La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional de EE. UU. (OSHA) ha establecido un límite de exposición permisible de 1 parte de benceno por millón de partes de aire (1 ppm) en el lugar de trabajo durante una jornada laboral de 8 horas, una semana laboral de 40 horas. El límite de exposición a corto plazo para el benceno en el aire es de 5 ppm durante 15 minutos. Estos límites legales se basaron en estudios que demostraron evidencia convincente de riesgo para la salud de los trabajadores expuestos al benceno. El riesgo de exposición a 1 ppm durante toda la vida laboral se ha estimado en 5 muertes por leucemia en exceso por cada 1000 empleados expuestos. (Esta estimación no supone ningún umbral para los efectos cancerígenos del benceno). OSHA también ha establecido un nivel de acción de 0,5 ppm para fomentar exposiciones aún más bajas en el lugar de trabajo.

El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU. (NIOSH) revisó la concentración de benceno inmediatamente peligrosa para la vida y la salud (IDLH) a 500 ppm. La definición actual de NIOSH para una condición IDLH, como se indica en la Lógica de selección de respiradores de NIOSH, es aquella que presenta una amenaza de exposición a contaminantes en el aire cuando es probable que esa exposición cause la muerte o efectos adversos para la salud inmediatos o diferidos permanentes o impida el escape de tales un entorno [NIOSH 2004]. El propósito de establecer un valor IDLH es (1) asegurar que el trabajador pueda escapar de un ambiente contaminado determinado en caso de falla del equipo de protección respiratoria y (2) se considera un nivel máximo por encima del cual solo un aparato de respiración altamente confiable se permite proporcionar la máxima protección al trabajador [NIOSH 2004]. En septiembre de 1995, NIOSH emitió una nueva política para desarrollar límites de exposición recomendados (REL) para sustancias, incluidos los carcinógenos. Como el benceno puede causar cáncer, NIOSH recomienda que todos los trabajadores usen equipo de respiración especial cuando es probable que estén expuestos al benceno a niveles que excedan el REL (10 horas) de 0,1 ppm. El límite de exposición a corto plazo de NIOSH (STEL - 15 min) es de 1 ppm.

La Conferencia Estadounidense de Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH) adoptó valores límite umbral (TLV) para el benceno a 0,5 ppm TWA y 2,5 ppm STEL.

Toxicología

Biomarcadores de exposición

Varias pruebas pueden determinar la exposición al benceno. El benceno en sí puede medirse en el aliento, la sangre o la orina, pero tales pruebas generalmente se limitan a las primeras 24 horas posteriores a la exposición debido a la eliminación relativamente rápida de la sustancia química por exhalación o biotransformación. La mayoría de las personas en los países desarrollados tienen niveles básicos mensurables de benceno y otros hidrocarburos aromáticos del petróleo en la sangre. En el cuerpo, el benceno se convierte enzimáticamente en una serie de productos de oxidación que incluyen ácido mucónico, ácido fenilmercaptúrico, fenol, catecol, hidroquinona y 1,2,4-trihidroxibenceno. La mayoría de estos metabolitos tienen cierto valor como biomarcadores de la exposición humana, ya que se acumulan en la orina en proporción a la extensión y duración de la exposición, y aún pueden estar presentes durante algunos días después de que ha cesado la exposición.

Biotransformaciones

Incluso si no es un sustrato común para el metabolismo, el benceno puede ser oxidado tanto por bacterias como por eucariotas. En las bacterias, la enzima dioxigenasa puede agregar oxígeno al anillo, y el producto inestable se reduce inmediatamente (por NADH) a un diol cíclico con dos dobles enlaces, rompiendo la aromaticidad. A continuación, el NADH reduce nuevamente el diol a catecol. Luego, el catecol se metaboliza en acetil CoA y succinil CoA, que los organismos utilizan principalmente en el ciclo del ácido cítrico para la producción de energía.

La vía para el metabolismo del benceno es compleja y comienza en el hígado. Varias enzimas están involucradas. Estos incluyen citocromo P450 2E1 (CYP2E1), quinina oxidorreductasa (NQ01 o DT-diaforasa o NAD(P)H deshidrogenasa (quinona 1)), GSH y mieloperoxidasa (MPO). CYP2E1 participa en varios pasos: convertir el benceno en oxepina (óxido de benceno), el fenol en hidroquinona y la hidroquinona en bencenotriol y catecol. La hidroquinona, el bencenotriol y el catecol se convierten en polifenoles. En la médula ósea, la MPO convierte estos polifenoles en benzoquinonas. Estos intermediarios y metabolitos inducen genotoxicidad por múltiples mecanismos que incluyen la inhibición de la topoisomerasa II (que mantiene la estructura cromosómica), la alteración de los microtúbulos (que mantiene la estructura y organización celular), generación de radicales libres de oxígeno (especies inestables) que pueden conducir a mutaciones puntuales, aumentar el estrés oxidativo, inducir roturas de cadenas de ADN y alterar la metilación del ADN (que puede afectar la expresión génica). NQ01 y GSH alejan el metabolismo de la toxicidad. NQ01 metaboliza la benzoquinona hacia polifenoles (contrarrestando el efecto de MPO). GSH participa en la formación de ácido fenilmercaptúrico.

Los polimorfismos genéticos en estas enzimas pueden inducir pérdida o ganancia de función. Por ejemplo, las mutaciones en CYP2E1 aumentan la actividad y dan como resultado una mayor generación de metabolitos tóxicos. Las mutaciones de NQ01 dan como resultado la pérdida de la función y pueden provocar una disminución de la desintoxicación. Las mutaciones de la mieloperoxidasa provocan la pérdida de la función y pueden provocar una disminución de la generación de metabolitos tóxicos. Las mutaciones o deleciones de GSH dan como resultado la pérdida de la función y dan como resultado una disminución de la desintoxicación. Estos genes pueden ser objetivos para la detección genética de la susceptibilidad a la toxicidad del benceno.

Toxicología molecular

El paradigma de la evaluación toxicológica del benceno está cambiando hacia el dominio de la toxicología molecular, ya que permite una mejor comprensión de los mecanismos biológicos fundamentales. El glutatión parece desempeñar un papel importante al proteger contra las roturas de ADN inducidas por el benceno y se está identificando como un nuevo biomarcador de exposición y efecto. El benceno causa aberraciones cromosómicas en los leucocitos de la sangre periférica y la médula ósea, lo que explica la mayor incidencia de leucemia y mieloma múltiple causada por la exposición crónica. Estas aberraciones se pueden monitorear usando hibridación fluorescente in situ (FISH) con sondas de ADN para evaluar los efectos del benceno junto con las pruebas hematológicas como marcadores de hematotoxicidad.El metabolismo del benceno involucra enzimas codificadas por genes polimórficos. Los estudios han demostrado que el genotipo en estos loci puede influir en la susceptibilidad a los efectos tóxicos de la exposición al benceno. Los individuos portadores de la variante de NAD(P)H: quinona oxidorreductasa 1 (NQO1), epóxido hidrolasa microsomal (EPHX) y deleción de la glutatión S-transferasa T1 (GSTT1) mostraron una mayor frecuencia de roturas monocatenarias de ADN.

Oxidación biológica y actividad cancerígena

Una forma de comprender los efectos cancerígenos del benceno es examinar los productos de la oxidación biológica. El benceno puro, por ejemplo, se oxida en el cuerpo para producir un epóxido, el óxido de benceno, que no se excreta fácilmente y puede interactuar con el ADN para producir mutaciones dañinas.

Vías de exposición

Inhalación

El aire exterior puede contener niveles bajos de benceno de las estaciones de servicio de automóviles, humo de madera, humo de tabaco, transferencia de gasolina, escape de vehículos motorizados y emisiones industriales. Alrededor del 50% de toda la exposición al benceno en todo el país (Estados Unidos) resulta de fumar tabaco o de la exposición al humo del tabaco. Después de fumar 32 cigarrillos al día, el fumador consumiría alrededor de 1,8 miligramos (mg) de benceno. Esta cantidad es aproximadamente 10 veces la ingesta diaria promedio de benceno por parte de los no fumadores.

El benceno inhalado se expulsa principalmente sin cambios a través de la exhalación. En un estudio en humanos, del 16,4 al 41,6 % del benceno retenido se eliminó a través de los pulmones dentro de las cinco a siete horas posteriores a una exposición de dos a tres horas a 47 a 110 ppm y solo del 0,07 al 0,2 % del benceno restante se excretó sin cambios en los pulmones. orina. Después de la exposición a 63 a 405 mg/m3 de benceno durante 1 a 5 horas, del 51 al 87 % se excretó en la orina como fenol durante un período de 23 a 50 horas. En otro estudio en humanos, el 30 % del benceno absorbido aplicado dérmicamente, que se metaboliza principalmente en el hígado, se excretó como fenol en la orina.

Exposición por refrescos

En condiciones específicas y en presencia de otras sustancias químicas, el ácido benzoico (un conservante) y el ácido ascórbico (vitamina C) pueden interactuar para producir benceno. En marzo de 2006, la Agencia de Normas Alimentarias oficial de Gran Bretaña realizó una encuesta de 150 marcas de refrescos. Encontró que cuatro contenían niveles de benceno por encima de los límites de la Organización Mundial de la Salud. Los lotes afectados fueron retirados de la venta. Problemas similares fueron reportados por la FDA en los Estados Unidos.

Contaminación del suministro de agua.

En 2005, se cortó el suministro de agua a la ciudad de Harbin en China, con una población de casi nueve millones de personas, debido a una importante exposición al benceno. El benceno se filtró en el río Songhua, que suministra agua potable a la ciudad, después de una explosión en una fábrica de China National Petroleum Corporation (CNPC) en la ciudad de Jilin el 13 de noviembre de 2005.

Cuando las tuberías de agua de plástico están sujetas a altas temperaturas, el agua puede estar contaminada con benceno.

Genocidio

Los nazis usaron benceno administrado por inyección como uno de sus muchos métodos para matar.