Kolhydratkemi beskriver strukturen, egenskaperna och reaktionerna hos föreningarna av kol, väte och syre som kallas kolhydrater. Dessa föreningar har den allmänna formeln C(H2O)n, där n kan vara vilket tal som helst från tre och uppåt. Det kan ses att kolhydrater alltid innehåller väte och syre i proportionerna vatten (H2O), därav ”hydrat”-delen av namnet. Kolhydrater inkluderar sockerarter, stärkelse, cellulosa och många andra vanliga ämnen. De tillverkas av koldioxid och vatten genom fotosyntes i växter och är en viktig energikälla i alla djurs dieter.
De enklaste kolhydraterna är trioser, med bara tre kolatomer. Kolhydratkemin kan dock vara ganska komplex, eftersom antalet små kolhydratmolekyler kan sammanfogas för att bilda mycket större strukturer. Enkla kolhydrater, såsom glukos, är kända som monosackarider. Kolhydratkemin utvecklades avsevärt när de detaljerade strukturerna för många monosackarider först klargjordes av Emil Fischer, en tysk kemist, i slutet av 19-talet. Komplexa kolhydrater består av monosackaridenheter sammanbundna.
Molekyler som består av två monosackarider är kända som disackarider; ett vanligt exempel är sackaros – mer känt som bordssocker – som består av monosackariderna glukos och fruktos. Oligosackarider har flera monosackaridenheter, och polysackarider består av långa kedjor av dessa enheter, ibland tusentals; exempel är stärkelse i dess olika former och cellulosa. Varje molekylenhet i kedjan är förenad med sin granne genom en glykosidbindning, som bildas genom avlägsnande av väte (H) och hydroxyl (OH) grupper – bildar vatten – från intilliggande monosackaridmolekyler.
Kolhydratstrukturer är sådana att olika molekyler kan ha samma övergripande formel, med atomerna ordnade olika. Monosackarider, till exempel, kan delas in i aldoser, som har en aldehydgrupp, och ketoser, som har en ketogrupp – en kol-syre-dubbelbindning även känd som en karbonylgrupp. Även om glukos och fruktos har samma kemiska formel (C6H12O6), är de olika strukturerade: glukos är en aldos och fruktos är en ketos. Detta är ett vanligt inslag i kolhydratkemi.
Det är också möjligt att en typ av kolhydrater finns i olika former. Glukos kan ta en linjär form, med dess sex kolatomer som bildar en kort kedja; kolatomerna kan numreras C1-C6, där C1 bildar aldehydgruppen och C6, i andra änden, bunden till två väteatomer och en hydroxylgrupp. De fyra kolatomerna mellan var och en har en väteatom på ena sidan och en hydroxylgrupp på den andra. Det finns två former av glukos, D-glukos och L-glukos, som skiljer sig endast genom att den förra har bara en av sina hydroxylgrupper på samma sida av molekylen som syret från aldehydgruppen, medan i den senare, denna arrangemanget är exakt omvänt. Detta gäller många monosackarider, där ”D”-formerna dominerar bland naturliga sockerarter.
I lösning tenderar D-glukos att bilda en ringstruktur, där C6 trycks åt sidan och hydroxylgruppen på C5 reagerar med aldehydgruppen på C1 på ett sådant sätt att en sexatomsring bildas med 5 kolatomer och en syreatom. Detta är känt som en glukopyranosring. Ringen kan ha två olika former, beroende på hydroxylgruppens position på C1. Om den är på samma plan som ringen är föreningen känd som β D-glukopyranos, men om den ligger vinkelrätt mot ringens plan är den känd som α D-glukopyranos. De två olika formerna är kända som anomerer och C1-kolatomen är känd som det anomera kolet.
β-formen ser mer strukturellt stabil ut, och i fallet med D-glukopyranos är den det, men i vissa monosackarider är α-formen vanligare. Detta beror på att i dessa föreningar kan den elektrostatiska repulsionen mellan elektronparen i den anomera hydroxylgruppen och de från syreatomen i ringen övervinna den större strukturella stabiliteten hos β-formen, ett fenomen som kallas den anomera effekten. Vilken form som är mer stabil beror inte bara på föreningen utan också på lösningsmedlet och på temperaturen.
Hydroxyl-, aldehyd- och ketogrupperna i kolhydrater kan ersättas med andra grupper, vilket möjliggör ett brett spektrum av reaktioner. Kolhydrater utgör grunden för många andra biologiskt viktiga föreningar. Till exempel är ribos och deoxiribos, en besläktad förening, de grundläggande enheterna från vilka nukleinsyrorna DNA och RNA bildas. Glykosider bildas av kolhydrater och alkoholer; Fischer-glykosidering, uppkallad efter Emil Fischer, innebär användning av en katalysator för att bilda glykosiden metylglukosid från glukos och metanol. En annan väg till glykosidproduktion är Koenigs-Knorr-reaktionen, som kombinerar en glykosylhalogenid med en alkohol för att bilda glykosiden.