La chimica dei carboidrati descrive la struttura, le proprietà e le reazioni dei composti di carbonio, idrogeno e ossigeno noti come carboidrati. Questi composti hanno la formula generale C(H2O)n, dove n può essere qualsiasi numero da tre in su. Si può vedere che i carboidrati contengono sempre idrogeno e ossigeno nelle proporzioni di acqua (H2O), da qui la parte “idrato” del nome. I carboidrati includono zuccheri, amido, cellulosa e molte altre sostanze comuni. Sono prodotti da anidride carbonica e acqua mediante fotosintesi nelle piante e sono una fonte di energia essenziale nella dieta di tutti gli animali.
I carboidrati più semplici sono le triosi, con solo tre atomi di carbonio. La chimica dei carboidrati può, tuttavia, essere piuttosto complessa, poiché un numero di piccole molecole di carboidrati può essere unito per formare strutture molto più grandi. I carboidrati semplici, come il glucosio, sono noti come monosaccaridi. La chimica dei carboidrati avanzò in modo significativo quando le strutture dettagliate di molti monosaccaridi furono chiarite per la prima volta da Emil Fischer, un chimico tedesco, alla fine del XIX secolo. I carboidrati complessi sono costituiti da unità monosaccaridiche legate insieme.
Le molecole costituite da due monosaccaridi sono note come disaccaridi; un esempio comune è il saccarosio, meglio conosciuto come zucchero da tavola, che consiste nei monosaccaridi glucosio e fruttosio. Gli oligosaccaridi hanno diverse unità monosaccaridiche e i polisaccaridi sono costituiti da lunghe catene di queste unità, a volte in numero di migliaia; esempi sono l’amido nelle sue varie forme e la cellulosa. Ogni unità molecolare della catena è unita alla sua vicina da un legame glicosidico, che è formato dalla rimozione dei gruppi idrogeno (H) e idrossile (OH) – formando acqua – dalle molecole di monosaccaridi adiacenti.
Le strutture dei carboidrati sono tali che molecole diverse possono avere la stessa formula complessiva, con gli atomi disposti in modo diverso. I monosaccaridi, ad esempio, possono essere suddivisi in aldosi, che hanno un gruppo aldeidico, e chetosi, che hanno un gruppo cheto, un doppio legame carbonio-ossigeno noto anche come gruppo carbonilico. Sebbene glucosio e fruttosio abbiano la stessa formula chimica (C6H12O6), sono strutturati in modo diverso: il glucosio è un aldosio e il fruttosio è un chetosio. Questa è una caratteristica comune della chimica dei carboidrati.
È anche possibile che un tipo di carboidrato esista in forme diverse. Il glucosio può assumere una forma lineare, con i suoi sei atomi di carbonio che formano una corta catena; gli atomi di carbonio possono essere numerati C1-C6, con C1 che forma il gruppo aldeidico e C6, all’altra estremità, legato a due atomi di idrogeno ea un gruppo ossidrile. I quattro atomi di carbonio in mezzo hanno un atomo di idrogeno da un lato e un gruppo ossidrile dall’altro. Esistono due forme di glucosio, il D-glucosio e l’L-glucosio, che differiscono solo per il fatto che il primo ha solo uno dei suoi gruppi ossidrile sullo stesso lato della molecola dell’ossigeno del gruppo aldeidico, mentre nel secondo questo disposizione è esattamente invertita. Questo vale per molti monosaccaridi, con le forme “D” che predominano tra gli zuccheri naturali.
In soluzione, il D-glucosio tende a formare una struttura ad anello, con C6 spinto da un lato e il gruppo ossidrile su C5 che reagisce con il gruppo aldeidico su C1 in modo tale da formare un anello a sei atomi con 5 atomi di carbonio e uno atomo di ossigeno. Questo è noto come anello del glucopiranosio. L’anello può assumere due forme diverse, a seconda della posizione del gruppo ossidrile su C1. Se è sullo stesso piano dell’anello, il composto è noto come D-glucopiranosio, ma se giace perpendicolare al piano dell’anello, è noto come α D-glucopiranosio. Le due diverse forme sono note come anomeri e l’atomo di carbonio C1 è noto come carbonio anomerico.
La forma β sembra strutturalmente più stabile, e nel caso del D-glucopiranosio lo è, ma in alcuni monosaccaridi la forma α è più comune. Questo perché in questi composti la repulsione elettrostatica tra le coppie di elettroni nel gruppo ossidrile anomerico e quelle dell’atomo di ossigeno nell’anello può superare la maggiore stabilità strutturale della forma , fenomeno noto come effetto anomerico. Quale forma sia più stabile dipende non solo dal composto, ma anche dal solvente e dalla temperatura.
I gruppi idrossile, aldeidico e chetonico nei carboidrati possono essere sostituiti da altri gruppi, consentendo un’ampia gamma di reazioni. I carboidrati costituiscono la base di molti altri composti biologicamente importanti. Ad esempio, ribosio e desossiribosio, un composto correlato, sono le unità fondamentali da cui si formano gli acidi nucleici DNA e RNA. I glicosidi sono formati da carboidrati e alcoli; La glicosidazione di Fischer, dal nome di Emil Fischer, prevede l’uso di un catalizzatore per formare il glucoside metilicoside dal glucosio e dal metanolo. Un’altra via per la produzione di glicosidi è la reazione di Koenigs-Knorr, che combina un glicosil alogenuro con un alcol per formare il glicoside.