Моносахариды — это альдо — или кетопроизводные многоатомных спиртов. Они различаются по числу атомов углерода, входящих в состав молекулы: триозы (число атомов углерода равно трем), тетрозы. пентозы, гексозы, гептозы, октозы, нонозы. Моносахаридов с числом атомов углерода больше девяти в природе не обнаружено.
Примером простейшего моносахарида является глицеральдегид. Он содержит один асимметрический атом углерода и может существовать в L-форме и в D-форме.
Глицеральдегид выбран в качестве стандарта для определения принадлежности Сахаров к D — или L-ряду. Если в молекуле моносахарида гидроксильная группа у асимметрического атома углерода, который максимально удален от альдегидной или кетонной группы, занимает такое же положение, что и в молекуле D-глицеральдегида. то это D-форма сахара. Если же эта гидроксильная группа принимает такое же положение, что и в молекуле L-глицеральдегида. то это L-форма.
В природе в основном распространены D-формы Сахаров, L-формы встречаются крайне редко.
Различают несколько видов изомерии моносахаридов:
- изомерия, связанная с наличием альдегидной или кетонной группы в молекуле сахара. Пример таких изомеров — глюкоза и фруктоза;
- стереоизомерия (пространственная изомерия), обусловленная наличием в моносахаридах асимметрических атомов углерода.
Моносахариды, за исключением дигидроксиацетона, являются оптически активными соединениями. Стереоизомеры обладают способностью вращать плоскость поляризации поляризованного света либо вправо, либо влево. Правовращающие сахара обозначают знаком (+), а левовращающие — знаком (-). Направление вращения света (вправо или влево) не связано с принадлежностью моносахарида к L- или D-ряду. Так, например, D-глюкоза вращает плоскость поляризации поляризованного света вправо (0(+)-глюкоза), а D-фруктоза — влево (D(-)-фруктоза). Примером стереоизомерии моносахаридов служат 0(+)-глюкоза и 0(+)-галактоза.
Моносахариды могут существовать в различных таутомерных формах: как в ациклической, так и образовывать циклические формы (пиранозную и фуранозную).
Наиболее важными моносахаридами являются глюкоза и фруктоза.
Наиболее устойчивая форма глюкозы в растворе — пиранозная, а фруктозы — фуранозная.
Формирование пиранозного кольца в молекуле, например, D-глюкозы обусловлено взаимодействием альдегидной и гидроксильной групп, в результате которого образуется полуацеталь. Образовавшаяся из альдегидной (или кетонной у фруктозы) группы гидроксильная группа обладает повышенной реакционной способностью и называется свободным гликозидным гидроксилом.
В зависимости от положения свободного гликозидного гидроксила различают α- и β-формы моносахаридов. Для D-ряда справедливо, что если гликозидный гидроксил находится под плоскостью пиранозного или фуранозного кольца, то данный моносахарид находится в α-форме, а если над плоскостью — в β-форме.
Наличие α- и D-форм моносахаридов обуславливает явление мутаротации. Мутаротация — это изменение удельного угла вращения плоскости поляризации поляризованного света в свежеприготовленном растворе сахара в течение некоторого времени. Угол вращения плоскости поляризации различен для таутомерных форм сахара. Например: a-D-глюкопираноза имеет удельное вращение +133°, а β-D-глкикопираноза — +19°. В процессе растворения в воде глюкозы удельное вращение раствора вначале изменяется, а затем достигает постоянной величины +52,5°, что связано с возникновением динамического равновесия в растворе между таутомерными формами глюкозы.
Одним из важнейших свойств Сахаров, обладающих свободным гликозидным гидроксилом, является их способность восстанавливать в щелочной среде оксиды металлов (например, оксид меди) до закисных форм (например, оксида меди). Такие сахара получили название восстанавливающих, или редуцирующих.