Els monosacàrids són els glúcids més simples. La fórmula empírica per tots els monosacàrids és (CH₂O)n. Estan formats per tan sols una cadena polihidroxialdehídica o polihidroxicetònica, constituïda de 3 a 7 àtoms de carboni. Com que són els glúcids més simples no es poden hidrolitzar, és a dir, no es poden descompondre en molècules més petites. Gràcies al grup aldehid o cetona que tenen, poden reaccionar amb alguns reactius com el reactiu de Fehling.
Es denominen afegint la terminació "-osa", i segons el nombre de carbonis de la cadena es poden anomenar: trioses, tetroses, pentoses, hexoses o heptoses. D'altra banda, si el grup carbonil es troba al primer carboni es denomina grup aldehid i els monosacàrids corresponents són aldoses, com la glucosa; si el carbonil està al segon carboni s'anomena cetona i els monosacàrids corresponents cetoses. Si es combina el nombre de carbonis amb el tipus de carbonil, tenim aldopentoses, cetopentoses, aldohexoses, cetohexoses, etc.
Estructura i nomenclatura Amb poques excepcions (per exemple la desoxiribosa), els monosacàrids tenen aquesta fórmula química: (CH2O)_{x}, on convencionalment . Els monosacàrids es poden classificar pel nombre x d'àtoms de carboni que contenen: triosa (3), tetrosa (4), pentosa (5) , hexosa (6), heptosa (7), etc. miniatura|Ciclació d'una hexosa: la glucosa. La glucosa, utilitzada com a font d'energia i per a la síntesi de midó, glucogen i cel·lulosa, és una hexosa. La ribosa i la desoxirribosa (en ARN i ADN, respectivament) són sucres de pentosa. Exemples d'heptoses inclouen cetoses, manoheptulosa i sedoheptulosa. Poques vegades s'observen monosacàrids amb vuit o més carbonis, ja que són força inestables. En solucions aquoses, els monosacàrids existeixen com a anells si tenen més de quatre carbonis.
Monosacàrids de cadena lineal Els monosacàrids simples tenen un esquelet de carboni lineal i no ramificat amb un grup funcional carbonil (C=O) i un grup hidroxil (OH) en els carboni restants. Per tant, l'estructura molecular d'un monosacàrid simple es pot escriure com H(CHOH)_{n}(C=O)(CHOH)_{m}H, on ; de manera que la seva fórmula elemental és C_{x}H_{2x}O_{x}. Per convenció, els àtoms de carboni es numeren de l'1 al x al llarg de l'esquelet, començant per l'extrem més proper al grup C=O. Si el carbonil és a la posició 1 (és a dir, n o m és zero), la molècula comença amb un grup formil H(C=O)− i tècnicament és un aldehid. En aquest cas s'anomena Aldosa. En cas contrari, té un grup cetona −(C=O)−; llavors és formalment una cetona, i es denomina cetosa. Les cetoses d'interès biològic solen tenir el carbonil a la posició 2. Una nomenclatura més general per a monosacàrids de cadena oberta combina un prefix grec per indicar el nombre de carbonis (tri-, tetr-, pent-, hex-, etc.) amb els sufixos "-osa" per a aldoses i "-ulosa" per a cetoses. En aquest darrer cas, si el carbonil no és a la posició 2, la seva posició s'indica mitjançant un infill numèric. Aleshores, per exemple, H(C=O)(CHOH)4H és pentosa, H(CHOH)(C=O)(CHOH)3H és pentulosa i H(CHOH)2(C=O)(CHOH)2H és pent-3-ulosa.
Estereoisòmers de cadena oberta Dos monosacàrids amb gràfics moleculars equivalents (mateixa longitud de cadena i mateixa posició de carbonil) encara poden ser estereoisòmers diferents, les molècules dels quals difereixen en l'orientació espacial. Això succeeix només si la molècula conté un estereocentre, específicament un àtom de carboni que és quiral (connectat a quatre subestructures moleculars diferents). Aquests quatre enllaços poden tenir qualsevol de les dues configuracions a l'espai que es distingeixen per la seva lateralitat. En un monosacàrid de cadena oberta simple, tots els carbonis són quirals excepte el primer i l'últim àtom de la cadena i (a les cetoses) el carboni amb el grup ceto.
Per exemple, la tricetosa H(CHOH)(C=O)(CHOH)H (glicerona, dihidroxiacetona) no té un centre estereogènic i, per tant, existeix com un sol estereoisòmer. L'altra triosa, l'aldosa H(C=O)(CHOH)2H (gliceraldehid), té un carboni quiral, el central, el número 2, que està unit als grups −H, −OH, −C(OH)H 2 i −(C=O)H. Per tant, hi ha dos estereoisòmers les molècules dels quals són imatges especulars entre si. Els monosacàrids amb quatre o més carbonis poden contenir múltiples carbonis quirals, per la qual cosa solen tenir més de dos estereoisòmers. El nombre d'estereoisòmers diferents amb el mateix diagrama està limitat per 2c, donde c és el nombre total de carbonis quirals.
La projecció de Fischer és una forma sistemàtica de dibuixar la fórmula esqueletal d'un monosacàrid acíclic perquè la lateralitat de cada carboni quiral estigui ben especificada. Cada estereoisòmer d'un monosacàrid de cadena oberta simple es pot identificar per les posicions (dreta o esquerra) al diagrama de Fischer dels hidroxils quirals (els hidroxils units als carbonis quirals). La majoria dels estereoisòmers són en si mateixos quirals (diferents de les imatges especulars). A la projecció de Fischer, dos isòmers d'imatge especular es diferencien per tenir les posicions de tots els hidroxils quirals invertides de dreta a esquerra. Els isòmers d'imatge especular són químicament idèntics en entorns no quirals, però generalment tenen propietats bioquímiques i ocurrències naturals molt diferents.
Si bé la majoria dels estereoisòmers es poden organitzar en parells de formes d'imatge especular, hi ha alguns estereoisòmers no quirals que són idèntics a les imatges especulars, tot i tenir centres quirals. Això passa sempre que el gràfic molecular sigui simètric, com en les 3-cetopentoses H(CHOH)2(CO)(CHOH)2H, i les dues meitats són imatges especulars entre si. En aquest cas, la duplicació equival a una rotació de mitja volta. Per aquesta raó, només hi ha tres estereoisòmers de 3-cetopentosa diferents, encara que la molècula té dos carbonis quirals.
Els estereoisòmers diferents que no són imatges especulars entre si solen tenir diferents propietats químiques, fins i tot en entorns no quirals. Per tant, cada parell de miralls i cada estereoisòmer no quiral poden rebre un nom de monosacàrid específic. Per exemple, hi ha 16 estereoisòmers d'aldohexosa diferents, però el nom "glucosa" significa un parell específic d'aldohexoses d'imatge especular. A la projecció de Fischer, un dels dos isòmers de glucosa té l'hidroxil a l'esquerra a C3 i a la dreta a C4 i C5; mentre que l'altre isòmer té el patró invers. Aquests noms de monosacàrids específics tenen abreviatures convencionals de tres lletres, com "Glu" per a glucosa i "Thr" per a treosa.
Generalment, un monosacàrid amb n carbonis asimètrics té 2 n estereoisòmers. El nombre d'estereoisòmers de cadena oberta per a un monosacàrid d'aldosa és més gran en un que un monosacàrid de cetosa de la mateixa longitud. Cada cetosa tindrà 2(n −3) estereoisòmers on n > 2 és el nombre de carbonis. Cada aldosa tindrà 2 (n −2) estereoisòmers on n > 2 és el nombre de carbonis. Aquests també es coneixen com a epímers que tenen una disposició diferent dels grups -OH i -H als àtoms de carboni asimètrics o quirals (això no s'aplica als carbonis que tenen el grup funcional carbonil).
Configuració de monosacàrids Igual que moltes molècules quirals, els dos estereoisòmers del gliceraldehid rotaran gradualment la direcció de polarització de la llum polaritzada linealment a mesura que passa a través d'ella, fins i tot en solució. Els dos estereoisòmers s'identifiquen amb els prefixos i , segons el sentit de gir: -gliceraldehid és dextrorrotatori (gira l'eix de polarització en el sentit de les agulles del rellotge), mentre que -gliceraldehid és levorrotatori (ho gira en el sentit contrari a les agulles del rellotge). derecha|miniatura|300x300px|- i -glucosa Els prefixos i també s'utilitzen amb altres monosacàrids per distingir dos estereoisòmers particulars que són imatges especulars entre si. Per a aquest propòsit, es considera el carboni quiral més allunyat del grup C=O. Els seus quatre enllaços s'han de connectar amb −H, −OH, −C(OH)H i la resta de la molècula. Si la molècula es pot girar a l'espai de manera que les adreces d'aquests quatre grups coincideixin amb les dels grups anàlegs al C2 del -gliceraldehid, llavors l'isòmer rep el prefix -. En cas contrari, rep el prefix -.
A la projecció de Fischer, els prefixos - i - especifiquen la configuració a l'àtom de carboni que és el segon des de baix: - si l'hidroxil és al costat dret, i - si és a la banda esquerra. Els prefixos - i - no indiquen la direcció de rotació de la llum polaritzada, que és un efecte combinat de la disposició a tots els centres quirals. Tot i això, els dos enantiòmers sempre rotaran la llum en direccions oposades, en la mateixa quantitat. Vegeu també sistema .
Ciclació de monosacàrids (formació d'hemiciatal) Un monosacàrid sovint canvia de la forma acíclica (cadena oberta) a una forma composta cíclica, a través d'una reacció d'addició nucleòfila entre el grup carbonil i un dels grups hidroxil de la mateixa. molècula. La reacció crea un anell d'àtoms de carboni tancat per un àtom d'oxigen pont. La molècula resultant té un grup hemiacetal o hemicetal, depenent de si la forma lineal era una aldosa o una cetosa. La reacció s'inverteix fàcilment donant la forma original de cadena oberta.
En aquestes formes cícliques, l'anell acostuma a tenir cinc o sis àtoms. Aquestes formes es denominen furanoses i piranoses, respectivament, per analogia amb el furà i el piran, els compostos més simples amb el mateix anell carboni-oxigen (encara que manquen dels dobles enllaços d'aquestes dues molècules). Per exemple, la glucosa aldohexosa pot formar un enllaç hemiacetal entre el grup aldehid al carboni 1 i l'hidroxil al carboni 4, donant lloc a una molècula amb un anell de 5 membres, anomenada glucofuranosa. La mateixa reacció pot tenir lloc entre els carbonis 1 i 5 per formar una molècula amb un anell de 6 membres, anomenada glucopiranosa. Les formes cícliques amb un anell de set àtoms (el mateix de l'oxepà), que poques vegades es troben, es denominen heptoses. centro|miniatura|500x500px|Conversió entre les formes furanosa, acíclica i piranosa de -glucosa centro|miniatura|500x500px|Formes de piranosa d'alguns sucres de pentosa centro|miniatura|500x500px|Formes de piranosa d'alguns sucres d'hexosa En molts monosacàrids (inclosa la glucosa), predominen les formes cícliques, en estat sòlid i en solucions, i, per tant, s'usa comunament el mateix nom per als isòmers de cadena oberta i tancada. Així, per exemple, el terme “glucosa” pot significar glucofuranosa, glucopiranosa, la forma de cadena oberta o una barreja de les tres.
La ciclació crea un nou estereocentre al carboni que conté carbonil. El grup −OH que reemplaça l‟oxigen del carbonil pot acabar en dues posicions diferents en relació amb el pla mitjà de l‟anell. Així, cada monosacàrid de cadena oberta produeix dos isòmers cíclics (anòmers), indicats pels prefixos α- i β-. La molècula pot canviar entre aquestes dues formes mitjançant un procés anomenat mutarrotació, que consisteix en una inversió de la reacció de formació de l'anell seguida de la formació d'un altre anell.
Projecció de Haworth L'estructura estereoquímica d'un monosacàrid cíclic es pot representar en una projecció de Haworth. En aquest diagrama, l'isòmer α de la forma piranosa d'una -aldohexosa té el −OH del carboni anomèric per sota del pla dels àtoms de carboni, mentre que l'isòmer β té el −OH del carboni anomèric per sobre del pla. Les piranoses solen adoptar una conformació de cadira, similar a la del ciclohexà. En aquesta conformació, l'isòmer α té el −OH del carboni anomèric en posició axial, mentre que lʻisòmer β té el −OH del carboni anomèric en posició equatorial (considerant sucres -aldohexoses).
Propietats