Структурные формулы моносахаридов часто представляют в виде незамкнутой (открытой) углеродной цепи с карбонильной (оксо) группой:
 •  Изомерия моносахаридов

Структурная изомерия
Альдозы (альдегиды), кетозы (кетоны) и их циклические формы (полуацетали) одинакового состава являются межклассовыми изомерами. Например: Пространственная изомерия
Разнообразие моносахаридов обусловлено главным образом различиями в пространственном строении и проявлении оптической изомерии. Например, формуле С₆Н₁₂О₆ в открытой форме соответствуют 16 стереоизомерных альдогексоз (8 пар оптических изомеров) и 8 кетогексоз (4 пары оптических изомеров). Это связано с наличием в данных молекулах нескольких асимметрическихАсимметрический атом — тетраэдри-ческий sp³-атом, связанный с четырьмя различными атомами или атомными группами. углеродных атомов и различным расположением гидроксигрупп и атомов водорода при этих атомах.
Открытые формы моносахаридов изображают в виде проекций (проекционных формул Фишера),При построении проекции Фишера по вертикали располагают главную углеродную цепь (вертикальные связи должны быть направлены ЗА плоскость рисунка, а горизонтальные - ПЕРЕД плоскостью); вверху должен находиться атом углерода с наименьшим номером по номенклатуре IUPAC. Напомним, что при нумерации главной цепи атом углерода старшей функциональной группы (в данном случае >C=O) получает наименьший номер. отражающих положение OH-групп относительно главной углеродной цепи. Например, глюкоза и фруктоза существуют в форме оптических изомеров, которые можно представить проекционными формулами (асимметрические атомы углерода обычно не изображаются): Оптические изомеры моносахаридов обозначают символами D и L в зависимости от положения ОН-группы при асимметрическом атоме углерода, наиболее удалённом от карбонильной группы (в данном примере С⁵). Если эта ОН-группа расположена справа, соединение считается D-изомером, если слева — L-изомером (от лат. dexter - правый, laevus - левый).
Для большинства природных моносахаридов характерна D-конфигурация. Поэтому часто символ D- в названиях углеводов опускается: глюкоза (D-глюкоза), фруктоза (D-фруктоза) и т.п.
Наибольшее распространение в природе имеет D-глюкоза (глюкоза). Этот изомер является практически единственным из большого числа гексоз, который встречается в свободном состоянии и составляет основу важнейших полисахаридов (крахмала, гликогена и целлюлозы).

Однако не все свойства моносахаридов согласуются с открытой цепной формой строения. Так, моносахариды не участвуют в некоторых реакциях, типичных для карбонильной группы: не дают качественной реакции с фуксинсернистой кислотой, не реагируют с гидросульфитом натрия
В данную реакцию моносахариды не вступают. NaHSO₃). Одна из гидроксигрупп отличается повышенной реакционной способностью и её замещение (например, на группу -OR) приводит к исчезновению свойств альдегида (или кетона).

Следовательно, моносахаридам, кроме приведенных выше формул, свойственна также иная, изомерная структура, которая может возникнуть при внутримолекулярной реакции между функциональными группами молекулы (ОН, С=О).
В разделе "Альдегиды и кетоны" приведена реакция присоединения спирта к альдегиду с образованием полуацеталяПолуацеталь — органическое соедине-ние, в котором атом углерода связан с ОН-группой и группой OR (где R — органический радикал): R–CH(OH)OR'. Аналогичная реакция между карбонильной (альдегидной или кетонной) и гидроксильной (спиртовой) группами может происходить и внутри одной молекулы моносахарида, приводя к образованию циклического полуацеталя. Для какой из нескольких гидроксильных групп в молекуле моносахарида более вероятна эта реакция? Известно, что наиболее устойчивыми являются 5-ти и 6-ти членные циклы (часть II. Свойства циклоалканов). Образование таких циклов связано со способностью углеродных цепей при вращении по σ-связям С–С (часть II, Поворотная изомерия) принимать достаточно выгодную для внутримолекулярной реакции клешневидную форму. В результате оказываются сближенными альдегидная (или кетонная) группа и гидроксил при 4-м или 5-м углеродном атоме (нумерация начинается с карбонильного углерода или ближайшего к нему конца цепи).
За счёт реакции между этими функциональными группами и происходит внутримолекулярная циклизация. При этом возможно образование двух стереоизомерных циклических полуацеталей: α- и β-форм, отличающихся пространственным положением полуацетальной гидроксильной группы, полученной в результате реакции. Эта гидроксильная группа в химии углеводов называется гликозидным (полуацетальным) гидроксилом.
Образование α-глюкозы

Механизм внутримолекулярной реакции — нуклеофильное присоединение.
Нуклеофил — атом кислорода с неподелённой парой электронов при С(5).
 

Образование β-глюкозы

Управляемая анимация

Реакция внутримолекулярной циклизации моносахаридов в форме альдоз и кетоз обратима, обратный процесс — раскрытие полуацетальных циклов.
Следовательно, моносахариды могут существовать в различных формах: открытой цепной (оксо-форме) и циклической (полуацетальной). В растворах моносахаридов эти формы находятся в равновесии друг с другом. Например, в водном растворе глюкозы существуют следующие структуры (полуацетальный гидроксил выделен цветом):

Если α- или β-положение полуацетального гидроксила не установлено,
его связь с циклом обозначают символом ~ (тильда). Пример.
(связи С-Н не показаны)

Другая форма записи (проекции Фишера)

  

Подобное динамическое равновесие структурных изомеров называется таутомерией. Данный случай относится к цикло-цепной (цикло-оксо) таутомерии моносахаридов. Цикло-оксо-таутомерия позволила объяснить изменениеНапример, сначала в водном растворе α-D-глюкоза имеет значение удельного вращения +112°, а β-D-глюкоза - +19°. Через некоторое время в обоих случаях достигается одно и то же постоянное значение +52,5°. во времени угла оптического вращения свежеприготовленных растворов моносахаридов (явление мутаротацииМутаротация (от лат. muto - изменяю и rotatio - вращение) — самопроизвольное изменение величины оптического вращения свежеприготовленных растворов оптически активных соединений.
Это явление, обнаруженное еще до установления строения моносахаридов, долгое время не находило объяснения. Сейчас известно, что причина мутаротации заключается в установлении равновесия между таутомерными формами моносахаридов.).
Таким образом, хотя моносахариды часто относят к полигидроксикарбонильным соединениям, в действительности же как в твердом состоянии, так и в растворе (не менее чем на 99,9%) они существуют в циклической полуацетальной форме. Следовательно, более точным является определение:

Моносахариды — это циклические полуацетали полигидроксикарбонильных соединений.

Циклические α- и β-формы глюкозы являются пространственными изомерами, отличающимися положением полуацетального гидроксила относительно плоскости кольца. В α-глюкозе этот гидроксил находится в транс-положении к гидроксиметильной группе -СН₂ОН, в β-глюкозе – в цис-положении.

Процессы изомеризации открытой и циклических форм (цикло-оксо-таутомерия) происходят также в растворах других моносахаридов: