В природе моносахариды (монозы) распространены и имеют наибольшее значение пентозы общей формулы С5Н10О5 и гексозы общей формулы С6Н12О6, не могут гидролизоваться и превращаться в более простые углеводы. По химическому строению моносахариды представляют собой многоатомные спирты, имеющие альдегидную группу (альдегидоспирты, оксиальдегиды, альдозы — когда на конце углеродной цепи присутствует карбонильная группа) или кетонную группу (кетоспирты, оксикетоны, кетозы — когда карбонильная группа расположена в ином другом положении). Отсюда, глюкоза и фруктоза являются функциональными изомерами. Функциональные изомеры различаются и расположением гидроксильных групп, как это видно из сравнения структур глюкозы и галактозы. Такие пространственные изомеры называются диастереомерами. Они различаются физическими и химическими свойствами.

Для моносахаридов характерна оптическая изомерия (энантиомерия) (Э. Фишер). В их молекулах содержатся асимметрические (хиральные) атомы углерода (С*), находящиеся в sp3-гибридизации и связанные с четырьмя различными атомами или их группами. Энантиомеры имеют идентичные физические и химические свойства. Число оптических стереоизомеров связано с числом асимметрических атомов углерода формулой N = 2n. В общем случае молекула с "n" хиральными центрами имеет 2n стереоизомеров, которые представляют собой пары зеркальных антиподов.

В качестве обозначения противоположных конфигураций редуцирующих сахаров с одинаковыми названиями применяются буквы D и L, которые указывают принадлежность к двум рядам. Последний асимметрический атом углерода определяет принадлежность к стереохимическому ряду. Гидроксильная группа справа – D – ряд; слева – L – ряд. В природе одни моносахариды встречаются больше в Д-конфигурации, чем в L, другие наоборот (L-арабиноза часто встречается в растениях, тогда как D-арабиноза обнаружена только в некоторых видах бактерий).

Поскольку молекулы сахаров построены несимметрично, то для них не может быть оптически неактивных мезоформ. Экспериментальный факт, фиксируемый поляриметром, вращения поляризованного света вправо обозначается знаком (+); вращение влево — знаком (-). Символы знаков D(+) – и L(-) могут очень часто не совпадать.

Изображенные линейными формулами альдозы во многом не отражают физические и химические свойства моносахаридов. Такие структуры возможны в растворах, и то в незначительных количествах (тысячные доли процента). Так в УФ - и ИК-спектрах моносахаридов отсутствуют полосы поглощения, характеризующие карбонильную группу. В действительности, моносахариды с 5 и более атомами углерода обычно встречаются в водном растворе в циклических формах, в которых карбонильная группа образует ковалентную связь с атомом кислорода гидроксильных групп. А.А. Колли (русский химик-органик), предложил для всех моносахаридов циклические структуры.

В карбонильной группе связь между атомами углерода и кислорода осуществляется двумя парами электронов. Электронное облако связи смещено к кислороду как более электроотрицательному атому, в результате чего он приобретает частичный отрицательный .заряд (δ-). В то же время карбонильный углерод в результате оттягивания от него электронов приобретает частичный положительный заряд (δ +):

Это обусловливает большую реакционную способность органических соединений, содержащих карбонильную группу: с одной стороны, атом углерода приобретает электрофильные свойства и способен активно взаимодействовать с нуклеофильными реагентами, а атом кислорода приобретает нуклеофильные свойства и способен присоединять электрофильные реагенты и замещаться ими; с другой стороны, на атоме углерода связи С=О концевой карбонильной группы положительный заряд сильнее притягивает электрон от атома водорода альдегидной группы, последний становится более подвижным и легко вступает в какие-либо реакции, например, окисляется (редуцируется) при рН > 7.

Отсюда, появление пятого гидроксила, названного гликозидным, является следствием внутримолекулярной реакции между карбонильной группой и одним из гидроксилов сахара.

Известно, что взаимодействие альдегидов (кетонов) со спиртами приводит к образованию полуацеталей (полукеталей):