ऐतिहासिक रूप से कार्बोहाइड्रेट को कार्बन के हाइड्रेट मानकर सामान्य सूत्र Cx(H2O)y दिया गया था। परंतु आधुनिक रासायनिक परिभाषा के अनुसार कार्बोहाइड्रेट प्रकाशिक सक्रिय पॉलीहाइड्रॉक्सी ऐल्डिहाइड अथवा पॉलीहाइड्रॉक्सी कीटोन होते हैं, या वे पदार्थ होते हैं जो जल-अपघटन पर ऐसे उत्पाद देते हैं। रैम्नोस (C6H12O5) तथा डीऑक्सीराइबोस (C5H10O4) सामान्य सूत्र का पालन न करने पर भी कार्बोहाइड्रेट हैं; जबकि फॉर्मैल्डिहाइड (CH2O) तथा ऐसीटिक अम्ल (C2H4O2) सूत्र का पालन करने पर भी कार्बोहाइड्रेट नहीं हैं।
- मोनोसैकेराइड (Monosaccharides): वे सरलतम कार्बोहाइड्रेट जिनका और अधिक सरल पॉलीहाइड्रॉक्सी इकाइयों में जल-अपघटन नहीं किया जा सकता (जैसे: ग्लूकोस, फ्रक्टोस, राइबोस)। कार्बन परमाणु संख्या व क्रियात्मक समूह के आधार पर इन्हें ऐल्डोट्रायोस, ऐल्डोहेक्सोस या कीटोहेक्सोस कहते हैं।
- ऑलिगोसैकेराइड (Oligosaccharides): जल-अपघटन पर 2 से 10 मोनोसैकेराइड इकाइयां देते हैं। जैसे—डाइसैकेराइड (सुक्रोस, माल्टोस, लैक्टोस), ट्राइसैकेराइड (रैफिनोस)।
- पॉलीसैकेराइड (Polysaccharides): जल-अपघटन पर अत्यधिक संख्या में मोनोसैकेराइड अणु देते हैं (जैसे: स्टार्च, सेलुलोस, ग्लाइकोजन)। ये स्वादहीन, जल में अविलेय होते हैं तथा 'नॉन-शुगर' कहलाते हैं।
- अपचायक एवं अन-अपचायक शर्करा (Reducing vs Non-reducing): जिन शर्कराओं में ऐनोमरी कार्बन पर मुक्त हेमीऐसीटैल या हेमीकीटैल समूह उपस्थित होता है, वे टॉलेन अभिकर्मक तथा फेहलिंग विलयन को अपचयित करती हैं (सभी मोनोसैकेराइड, माल्टोस, लैक्टोस)। सुक्रोस में दोनों ऐनोमरी कार्बन बंधित होने के कारण यह अन-अपचायक शर्करा है।
मोनोसैकेराइडों का आपेक्षिक विन्यास मानक संदर्भ ग्लिसरैल्डिहाइड के आधार पर निर्धारित किया जाता है। फिशर प्रक्षेप में सर्वाधिक ऑक्सीकृत कार्बन (C-1) को शीर्ष पर रखने पर पेनल्टीमेट असममित कार्बन (सर्वोच्च क्रमांक वाला काइरल कार्बन, हेक्सोस में C-5) पर –OH समूह की स्थिति देखी जाती है:
- D-श्रेणी: C-5 काइरल कार्बन पर –OH समूह फिशर प्रक्षेप के दायीं ओर स्थित होता है। प्राकृतिक ग्लूकोस D-(+)-ग्लूकोस है।
- L-श्रेणी: C-5 काइरल कार्बन पर –OH समूह बायीं ओर स्थित होता है। D एवं L परस्पर अनाध्यारोपणीय दर्पण प्रतिबिंब (प्रतिबिंबरूप / enantiomers) हैं।
- महत्वपूर्ण बिंदु: D तथा L केवल त्रिविम विन्यास को दर्शाते हैं; इसका ध्रुवण घूर्णकता के चिन्ह [(+) दक्षिणावर्त या (−) वामावर्त] से कोई सीधा संबंध नहीं होता।
ग्लूकोस एक ऐल्डोहेक्सोस है जिसका अणुसूत्र C6H12O6 तथा विवृत संरचना HOCH2–(CHOH)4–CHO है। इसके पक्ष में प्रमाण:
| अभिकर्मक एवं परिस्थितियाँ | प्राप्त उत्पाद | संरचनात्मक निष्कर्ष |
|---|---|---|
| HI / लाल P के साथ दीर्घकाल तक गर्म (Δ) | n-हेक्सेन [CH3(CH2)4CH3] | सिद्ध करता है कि सभी 6 कार्बन परमाणु एक सीधी अशाखित श्रृंखला में जुड़े हैं। |
| हाइड्रॉक्सिलऐमीन (NH2OH) | ग्लूकोस ऑक्सिम [CH(=NOH)–(CHOH)4–CH2OH] | अणु में कार्बोनिल समूह (>C=O) की उपस्थिति पुष्ट करता है। |
| हाइड्रोजन सायनाइड (HCN) | ग्लूकोस साइनोहाइड्रिन | इलेक्ट्रॉनरागी कार्बोनिल समूह पर नाभिकरागी योग का प्रमाण। |
| ब्रोमीन जल (मृदु ऑक्सीकारक) | ग्लूकोनिक अम्ल [HOOC–(CHOH)4–CH2OH] | कार्बोनिल समूह ऐल्डिहाइड (–CHO) है, क्योंकि मृदु ऑक्सीकारक कीटोन को ऑक्सीकृत नहीं करता। |
| ऐसीटिक ऐनहाइड्राइड / पिरिडीन | ग्लूकोस पेन्टाऐसीटेट | 5 –OH समूहों की उपस्थिति दर्शाता है; यौगिक स्थायी होने के कारण 5 –OH भिन्न 5 कार्बनों पर स्थित हैं। |
| सांद्र नाइट्रिक अम्ल (सांद्र HNO3) | सैकैरिक अम्ल / ग्लूकेरिक अम्ल [HOOC–(CHOH)4–COOH] | सिरे पर प्राथमिक ऐल्कोहॉलिक समूह (–CH2OH) की उपस्थिति प्रमाणित करता है। |
विवृत ऐल्डिहाइड संरचना निम्नलिखित प्रयोगात्मक तथ्यों की व्याख्या करने में असमर्थ रही:
- –CHO समूह होने के उपरांत भी ग्लूकोस शिफ अभिकर्मक के साथ गुलाबी रंग नहीं देता तथा NaHSO3 के साथ योगोत्पाद नहीं बनाता।
- ग्लूकोस पेन्टाऐसीटेट हाइड्रॉक्सिलऐमीन के साथ क्रिया नहीं करता, जो पेन्टाऐसीटेट में मुक्त –CHO की अनुपस्थिति दर्शाता है।
- ग्लूकोस दो भिन्न क्रिस्टलीय रूपों में पाया जाता है: α-D-ग्लूकोस (गलनांक 419 K, [α]D = +112°) तथा β-D-ग्लूकोस (गलनांक 423 K, [α]D = +19°)।
इन सीमाओं को दूर करने के लिए टॉलेन्स ने प्रस्तावित किया कि C-5 –OH समूह C-1 कार्बोनिल कार्बन के साथ आंतरिक योग कर 6-सदस्यीय चक्रीय हेमीऐसीटैल बनाता है, जिसे पायरान वलय के सादृश्य पर ग्लूकोपायरानोस कहते हैं।
- ऐनोमरी कार्बन (C-1) एवं ऐनोमर: वलय निर्माण से अ-काइरल C-1 नया काइरल केंद्र बन जाता है।
- α-D-ग्लूकोपायरानोस: हॉवर्थ प्रक्षेप में C-1 का –OH समूह नीचे की ओर (C-5 के –CH2OH से trans) होता है।
- β-D-ग्लूकोपायरानोस: C-1 का –OH समूह ऊपर की ओर (C-5 के –CH2OH से cis) होता है। कुर्सी रूप में सभी बड़े समूह निरक्षीय (equatorial) होने के कारण β-रूप अधिक स्थायी है।
- परिवर्ती ध्रुवण घूर्णन (Mutarotation): जब शुद्ध α-D-ग्लूकोस ([α]D = +112°) अथवा शुद्ध β-D-ग्लूकोस ([α]D = +19°) का जलीय विलयन रखा जाता है, तो समय के साथ इसका विशिष्ट घूर्णन परिवर्तित होकर अंततः साम्यावस्था मान +52.7° पर स्थिर हो जाता है। वलय के खुलने तथा विवृत श्रृंखला (<0.02%) के माध्यम से यह साम्यावस्था प्राप्त होती है, जिसमें लगभग 36% α-रूप तथा 64% β-रूप उपस्थित रहता है।
D-(−)-फ्रक्टोस अणुसूत्र C6H12O6 युक्त एक कीटोहेक्सोस है। इसके C-2 पर कीटोनिक समूह होता है। यह C-2 तथा C-5 –OH के योग से 5-सदस्यीय फ्यूरानोस वलय बनाता है।
परीक्षण के क्षारीय माध्यम में फ्रक्टोस एक मध्यवर्ती ईनडाईऑल (enediol) के माध्यम से चलावयवता प्रदर्शित कर D-ग्लूकोस तथा D-मैनोस में रूपांतरित हो जाता है। इसे लोब्री डी ब्रुइन-अल्बर्डा वैन एकेंस्टीन पुनर्विन्यास कहते हैं। उत्पन्न ऐल्डोस में मुक्त –CHO समूह होने से यह टॉलेन व फेहलिंग अभिकर्मक को अपचयित कर देता है।