Benzen

Benzen
	; benzen w postaci stałej
Nazewnictwo
	Nomenklatura systematyczna (IUPAC)
PIN	benzen
inne	[6]annulen (nazwa niezalecana)
	Inne nazwy i oznaczenia
	cykloheksa-1,3,5-trien
	Ogólne informacje
Wzór sumaryczny	C6H6
Masa molowa	78,11 g/mol
Wygląd	przezroczysta,bezbarwna ciecz o charakterystycznym zapachu
	Identyfikacja
Numer CAS	71-43-2
PubChem	241
SMILES
	C1=CC=CC=C1
InChI
	InChI=1S/C6H6/c1-2-4-6-5-3-1/h1-6H
	InChIKey
	UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N
Właściwości
	Gęstość
	0,8765 g/cm³ (20 °C);ciecz
	Rozpuszczalnośćwwodzie
	1,77 g/kg (20 °C); 2,06 g/kg (50 °C); 4,00 g/kg (101 °C)
	w innych rozpuszczalnikach
	rozpuszczalny wtetrachlorometanie,mieszalny w każdym stosunku zetanolem,eterem dietylowym,acetonemichloroformem
Temperatura topnienia	5,538± 0,002°C
Temperatura wrzenia	80,08± 0,07°C
Punkt krytyczny	288,9 °C;4,90 MPa;257 cm³/mol ≈ 0,304 g/cm³
logP	2,13 (25 °C)
Współczynnik załamania	1,5011 (589 nm,20 °C)
Lepkość	0,604 mPa·s (25 °C)
Napięcie powierzchniowe	28,21 mN/m (25 °C)
Prężność pary	12,7 kPa (25 °C)
Budowa
TyphybrydyzacjiiVSEPR	sp²
Moment dipolowy	0D
Niebezpieczeństwa
	Karta charakterystyki:dane zewnętrznefirmy Sigma-Aldrich [dostęp 2020-05-11]
	Globalnie zharmonizowany system; klasyfikacji i oznakowania chemikaliów
	Na podstawieRozporządzenia CLP,zał. VI,uzupełnione o dane z karty charakterystyki
Zwroty H	H225,H304,H315,H319,H340,H350,H372,H412
Zwroty P	P201,P210,P273,P301+P310+P331,P302+P352,P308+P313
Temperatura zapłonu	−11 °C (zamknięty tygiel)
Temperatura samozapłonu	498 °C
Granice wybuchowości	1,2–7,8%
Numer RTECS	CY1400000
Dawka śmiertelna	LD5048 mg/kg (mysz, przezskórnie)
	Podobne związki
Podobne związki	naftalen,antracen,naftacen,pentacen,pirydyna,borazyna,benzen Dewara
Pochodne aromatyczne	toluen,ksylen,fenol,pirogalol
	Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą; stanu standardowego(25 °C, 1000 hPa)
	Multimedia w Wikimedia Commons
	Hasło w Wikisłowniku

Benzen–organiczny związek chemicznyz grupyarenów.Jest to najprostszy karbocykliczny, obojętnywęglowodór aromatyczny.Jego nieorganicznymanalogiemjestborazyna.

Budowa cząsteczki

Struktura Kekulégo

Problem budowy benzenu interesował chemików już od chwili wyodrębnienia tego związku. W 1865 r. niemiecki chemikFriedrich August Kekuléwysunąłhipotezę,że benzen jestcykloheksatrienemo sześcioczłonowym pierścieniu, w którym pomiędzy atomamiwęglana przemian występują wiązania pojedyncze i podwójne^[13]:

Teoria rezonansu chemicznego

Struktura Kekulégo nie tłumaczyła jednak dlaczego benzen i innezwiązki aromatycznenie posiadają właściwości charakterystycznych dlawęglowodorów nienasyconych,mimo 6elektronówπ w pierścieniu (sekstet elektronowy)^[3].Ponadto w miarę gromadzenia się materiału eksperymentalnego okazywało się, że wszystkiewiązaniaC−Cw pierścieniu benzenowym są równocenne. Na podstawie badańspektroskopowychustalono, że cząsteczka benzenu w istocie stanowi pierścień złożony z sześciu atomów węgla połączonych równocennymi wiązaniami o długości 1,39 Å, czyli pośredniej pomiędzy długością wiązania pojedynczego (1,54 Å) i podwójnego (1,34 Å). Struktury uśrednionej nie można zobrazować klasycznymi wiązaniami pojedynczymi i podwójnymi, można jednak przedstawić granicznestruktury rezonansowe:

Mechanika kwantowa

Zagadnienie płaskiej budowy pierścienia benzenowego dobrze tłumaczykwantowomechaniczna metoda orbitali molekularnych.Przyjmuje sięhybrydyzacjęsp² (kąty pomiędzy wiązaniamiH−C−CiC−C−Cwynoszą 120°) dla atomów węgla^[3].Zhybrydyzowane orbitale tworzą wiązania σC−CiC−H.Pozostałe orbitale p atomów węgla (o osiach prostopadłych do płaszczyzny cząsteczki) tworzą zdelokalizowanewiązania π.W efekcie 6 elektronów π nie jest przypisane ani do żadnego z atomów węgla, ani do żadnego wiązania węgiel-węgiel, lecz znajduje się w dwóch chmurach nad i pod płaszczyzną pierścienia, których kształt jest zbliżony dotorusa^[14]^[15]:

Otrzymywanie

Skala laboratoryjna

odwodornianie cykloheksanuw temp. 300 °C na katalizatorze (najczęściejplatynaosadzona natlenku glinu)^{[potrzebny przypis]}

Odwodornienie cykloheksanu

trimeryzacja acetylenupoprzez ogrzewanie go w obecnościwęgla aktywnego:

3C
2H
2→ C
6H
6

Skala przemysłowa

Do czasówII wojny światowejgłówną metodą otrzymywania benzenu byłaekstrakcjazesmoły pogazowej^[3](produkt uboczny wprzemyśle koksowniczymigazowniczym). W latach 50. XX wieku wzrosło zapotrzebowanie na benzen, głównie ze strony przemysłu tworzyw sztucznych i konieczna stała się jego produkcja na wielką skalę zropy naftowej^[3].

Obecnie, oprócz ekstrakcji ze smoły pogazowej, stosuje się następujące metody otrzymywania benzenu:

pirolizalekkich frakcji ropy naftowej zparą wodną(kraking parowy)
reforminglekkich frakcji ropy naftowej
dealkilacjatoluenu,polegająca na przepuszczaniu mieszaniny toluenu iwodorunadkatalizatorem(chrom,molibdenlubtlenek platyny) w temperaturze 500–600 °C pod ciśnieniem 40–60 atmosfer (czasem zamiast katalizatora używa się wyższych temperatur):

C
6H
5CH
3+ H
2→ C
6H
6+ CH
4

Właściwości

Właściwości fizyczne

W temperaturze pokojowej benzen jest bezbarwną cieczą o charakterystycznym, ostrym zapachu. Bardzo słabo rozpuszcza się w wodzie, natomiast lepiej wrozpuszczalnikachorganicznych^[3].Sam jest dobrym rozpuszczalnikiem dlawosków,tłuszczów,naftalenui innych niepolarnych związków chemicznych.

Właściwości chemiczne

Pali się kopcącym płomieniem, a jegociepło spalaniawynosi 9470kcal/kg.

Benzen jest związkiem trwałym chemicznie, w przeciwieństwie doalkenównie ulega łatwo reakcjiaddycji.Stosunkowo łatwo natomiast zachodzisubstytucja elektrofilowado pierścienia aromatycznego. Przykładem może być reakcja alkilowania i acylowania, katalizowanakwasami Lewisa,nazywanareakcją Friedla-Craftsa.

Właściwości biologiczne

W większych ilościach benzen jesttoksyczny.LD₅₀(szczur, doustnie) wynosi 930 mg/kg,LC₅₀(szczur, inhalacja) – 10 000 ppm przez 7 h. Ma silne właściwości rakotwórcze. Po spożyciu powoduje podrażnienieśluzówki żołądka,mdłości iwymioty.Przy pochłonięciu większych ilości powoduje bóle głowy, drgawki i zgon.

Zastosowanie

Benzen jest jednym z najważniejszych rozpuszczalników, jak isubstratówwielu związków wsyntezie organicznej,służy m.in. do produkcjitworzyw sztucznych,włókien syntetycznych,barwników,leków,detergentów,pestycydów^[3],a także do otrzymywaniaaniliny,fenoluiacetonu(metoda kumenowa) orazbezwodnika maleinowego.

Sam benzen jest ze względu na swoje właściwości toksyczne i rakotwórcze rzadko używany. Był niegdyś masowo stosowany jako rozpuszczalnik dla wielu reakcji prowadzonych w skali przemysłowej – obecnie jednak zastępuje się go innymi rozpuszczalnikami, o ile tylko istnieje taka możliwość.

Historia

Benzen został po raz pierwszy wyodrębniony przezMichaela Faradayaw 1825 r. ze sprężonegogazu świetlnegobędącego oleistą pozostałością zbierającą się na dnie londyńskich gazowych lamp ulicznych. W 1845 inny angielski chemik,Charles Mansfield,pracując pod kierunkiemAugusta Wilhelma von Hofmanna,wyodrębnił go zesmoły węglowej.Cztery lata później Mansfield rozpoczął produkcję benzenu na skalę przemysłową bazując na tej metodzie. Nazwę „benzen” (benzol) zaproponował w 1843 r. niemiecki chemikJustus von Liebig.

Zagrożenia

Benzen podejrzewany o toksyczność był już w 1900 roku. Powoduje on zarówno ostre, jak i przewlekłezatrucia.Zazwyczaj do zatrucia dochodzi poprzez wdychanie par przezukład oddechowy,jednak możliwa jest równieżabsorpcjaprzez skórę i wchłanianie wraz z pokarmem. Około 6,4 g/m³ powoduje ostre zatrucie w ciągu godziny inhalacji, zaś dawka 10-krotnie większa powoduje natychmiastowy zgon.

Ostre zatrucie benzenem charakteryzuje się podrażnieniem skóry, rumieniem, odczuciem palenia. Benzen oddziałuje naośrodkowy układ nerwowypowodującsenność,bóleizawroty głowy,utratę przytomności,niewydolność układu oddechowego, a w rezultacie zgon^[16].Charakterystycznymi objawami są też: krwawienia z błon śluzowych, szybki i płytki oddech, drżenie kończyn, zaburzenia rytmu serca^[16].Przy zatruciu drogą pokarmową dołączają się takżewymiotyidrgawki^[16].

Dużo częstsze są zatrucia przewlekłe. Pierwsze objawy są niespecyficzne, są tozmęczenie,ból głowy, utrataapetytu.Dokładniejsze badania wykazują nieprawidłowości w składzie biochemicznym krwi. Najczęściej dochodzi do obniżenia liczbybiałych ciałek krwico powoduje spadek odporności ipłytek krwi.Benzen również działa niszcząco naszpik kostnyi może powodowaćbiałaczkęlubszpiczaka mnogiego^[17]. Pary benzenu po dostaniu się do płuc absorbowane są przez krew, z której w dużym stopniu wchłaniane są przeztkanki tłuszczowe.

Niemetabolizowany benzen wydalany jest przez płuca.Metabolizmbenzenu zachodzi przede wszystkim wwątrobie.Najpierw benzen ulegautlenieniuw wyniku działaniaenzymów cytochromu P-450dooksepiny,która jest utrzymywana w stanierównowagi dynamicznejzepoksybenzenem.Epoksybenzen może ulecuwodnieniuw wyniku działania enzymu hydrolazy epoksydowej dając benzeno-trans-dihydro-1,2-diol, następnie związek ten pod wpływem enzymu dehydrogenazy dihydrodiolowej przekształcany jest wkatechol.Oksepina może również reagować poprzez otwarcie pierścienia, dając jako produktaldehyd (E,E)-mukonowyikwas (E,E)-mukonowy.

Niektóre metabolity są odpowiedzialne za działanie toksyczne benzenu. Na przykład główne działanie rakotwórcze wykazują kwasy mukonowe powstające jako metabolity.

Ogólny schemat metabolizmu benzenu^[18]

Uwagi

↑Nazwa nie odzwierciedla rzeczywistego układu wiązań w cząsteczce. Patrz sekcja „Budowa cząsteczki”.

Przypisy

↑^a^bHenri A.H.A.FavreHenri A.H.A.,Warren H.W.H.PowellWarren H.W.H.,Nomenklatura związków organicznych. Rekomendacje IUPAC i nazwy preferowane 2013,Komisja Terminologii Chemicznej Polskiego Towarzystwa Chemicznego (tłum.), wyd. 3, Narodowy Komitet Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej,[2017],s. 131.
↑Farmakopea Polska X,Polskie Towarzystwo Farmaceutyczne, Warszawa:Urząd Rejestracji Produktów Leczniczych, Wyrobów Medycznych i Produktów Biobójczych,2014, s. 4276,ISBN978-83-63724-47-4.
↑^a^b^c^d^e^f^gPodręczny słownik chemiczny,RomualdR.Hassa(red.),JanuszJ.Mrzigod(red.),JanuszJ.Nowakowski(red.), Katowice: Videograf II, 2004, s. 51,ISBN83-7183-240-0.
↑^a^b^c^d^eHaynes 2016 ↓,s.3-34.
↑Haynes 2016 ↓,s.5-173.
↑^a^b^cHaynes 2016 ↓,s.5-140.
↑^a^b^cHaynes 2016 ↓,s.6-67.
↑Haynes 2016 ↓,s.6-243.
↑Haynes 2016 ↓,s.6-190.
↑^a^b^c^d^eHaynes 2016 ↓,s.15-13.
↑Benzen,[w:] Classification and Labelling Inventory,Europejska Agencja Chemikaliów[dostęp 2020-05-11](ang.).
↑^a^bBenzen (nr 270709)– karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich (Merck) na obszar Polski. [dostęp 2020-05-11].(przeczytaj, jeśli nie wyświetla się prawidłowa wersja karty charakterystyki)
↑AugustA.KekuléAugustA.,Untersuchungen über aromatische Verbindungen Ueber die Constitution der aromatischen Verbindungen. I. Ueber die Constitution der aromatischen Verbindungen,„Liebigs Annalen”,137 (2), 1865, s. 129–196,DOI:10.1002/jlac.18661370202(niem.).
↑The Bonding in Benzene,[w:]Paula YurkanisP.Y.BruicePaula YurkanisP.Y.,Organic chemistry,Prentice Hall, 2003, s. 267,ISBN978-0-13-140748-0.
↑Orbitale w cząsteczce benzenu,[w:]Robert T.R.T.MorrisonRobert T.R.T.,Robert N.R.N.BoydRobert N.R.N.,Chemia organiczna,t. 1, Warszawa:Państwowe Wydawnictwo Naukowe,1985, s. 388–389,ISBN83-01-04166-8.
↑^a^b^cFacts About Benzene,[w:] Emergency Preparedness and Response [online], Centers for Disease Control and Prevention[dostęp 2017-07-21](ang.).
↑A.A.Yardley-JonesA.A.,D.D.AndersonD.D.,D.V.D.V.ParkeD.V.D.V.,The toxicity of benzene and its metabolism and molecular pathology in human risk assessment,„British Journal of Industrial Medicine”, 48 (7), 1991, s. 437–444,PMID:1854646,PMCID:PMC1035396.
↑Stephen M.S.M.RappaportStephen M.S.M.i inni,Evidence That Humans Metabolize Benzene via Two Pathways,„Environmental Health Perspectives”, 117 (6), 2009, s. 946–952,DOI:10.1289/ehp.0800510,PMID:19590688,PMCID:PMC2702411.

Bibliografia

CRC Handbook of Chemistry and Physics,William M.W.M.Haynes(red.), wyd. 97, Boca Raton: CRC Press, 2016,ISBN978-1-4987-5429-3(ang.).
S.E.S.E.ManahanS.E.S.E.,Toksykologia środowiska. Aspekty chemiczne i biologiczne,Warszawa:Wydawnictwo Naukowe PWN,2006,ISBN83-01-14841-1.

[2] Nazwa nie odzwierciedla rzeczywistego układu wiązań w cząsteczce. Patrz sekcja „Budowa cząsteczki”.

[BlueBook-1] Henri A.H.A.FavreHenri A.H.A.,Warren H.W.H.PowellWarren H.W.H.,Nomenklatura związków organicznych. Rekomendacje IUPAC i nazwy preferowane 2013,Komisja Terminologii Chemicznej Polskiego Towarzystwa Chemicznego (tłum.), wyd. 3, Narodowy Komitet Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej,[2017],s. 131.

[FPX-3] Farmakopea Polska X,Polskie Towarzystwo Farmaceutyczne, Warszawa:Urząd Rejestracji Produktów Leczniczych, Wyrobów Medycznych i Produktów Biobójczych,2014, s. 4276,ISBN978-83-63724-47-4.

[psc-4] Podręczny słownik chemiczny,RomualdR.Hassa(red.),JanuszJ.Mrzigod(red.),JanuszJ.Nowakowski(red.), Katowice: Videograf II, 2004, s. 51,ISBN83-7183-240-0.

[CITEREFHaynes2016'''3'''-34-5] Haynes 2016 ↓,s.3-34.

[CITEREFHaynes2016'''5'''-173-6] Haynes 2016 ↓,s.5-173.

[CITEREFHaynes2016'''5'''-140-7] Haynes 2016 ↓,s.5-140.

[CITEREFHaynes2016'''6'''-67-8] Haynes 2016 ↓,s.6-67.

[CITEREFHaynes2016'''6'''-243-9] Haynes 2016 ↓,s.6-243.

[CITEREFHaynes2016'''6'''-190-10] Haynes 2016 ↓,s.6-190.

[CITEREFHaynes2016'''15'''-13-11] Haynes 2016 ↓,s.15-13.

[CLI-12] Benzen,[w:] Classification and Labelling Inventory,Europejska Agencja Chemikaliów[dostęp 2020-05-11](ang.).

[SA-13] Benzen (nr 270709)– karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich (Merck) na obszar Polski. [dostęp 2020-05-11].(przeczytaj, jeśli nie wyświetla się prawidłowa wersja karty charakterystyki)

[14] AugustA.KekuléAugustA.,Untersuchungen über aromatische Verbindungen Ueber die Constitution der aromatischen Verbindungen. I. Ueber die Constitution der aromatischen Verbindungen,„Liebigs Annalen”,137 (2), 1865, s. 129–196,DOI:10.1002/jlac.18661370202(niem.).

[Bruice-15] The Bonding in Benzene,[w:]Paula YurkanisP.Y.BruicePaula YurkanisP.Y.,Organic chemistry,Prentice Hall, 2003, s. 267,ISBN978-0-13-140748-0.

[MorrisonBoyd-16] Orbitale w cząsteczce benzenu,[w:]Robert T.R.T.MorrisonRobert T.R.T.,Robert N.R.N.BoydRobert N.R.N.,Chemia organiczna,t. 1, Warszawa:Państwowe Wydawnictwo Naukowe,1985, s. 388–389,ISBN83-01-04166-8.

[:0-17] Facts About Benzene,[w:] Emergency Preparedness and Response [online], Centers for Disease Control and Prevention[dostęp 2017-07-21](ang.).

[18] A.A.Yardley-JonesA.A.,D.D.AndersonD.D.,D.V.D.V.ParkeD.V.D.V.,The toxicity of benzene and its metabolism and molecular pathology in human risk assessment,„British Journal of Industrial Medicine”, 48 (7), 1991, s. 437–444,PMID:1854646,PMCID:PMC1035396.

[19] Stephen M.S.M.RappaportStephen M.S.M.i inni,Evidence That Humans Metabolize Benzene via Two Pathways,„Environmental Health Perspectives”, 117 (6), 2009, s. 946–952,DOI:10.1289/ehp.0800510,PMID:19590688,PMCID:PMC2702411.

[1]

[a]

[2]

[3]

[4]

[6]

[7]

[5]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]