カルボニル化合物の反応求核付加・求核アシル置換・エノラートとアルドール反応

アルデヒドはケトンより反応しやすい。アルデヒドではカルボニル炭素の片側が水素で、立体障害が小さく、電子を与えるアルキル基が1つ少ないためである。平面のカルボニル基には上下どちらの面からも付加できるので、アキラルな出発物から不斉中心ができる場合は、ふつうラセミ体になる。

アセタール化の機構を、アセトアルデヒドとメタノールで段階ごとに書く。全体は $\mathrm{CH_3CHO + 2CH_3OH \rightleftharpoons CH_3CH(OCH_3)_2 + H_2O}$ である。

1. カルボニル酸素がプロトン化される：$\mathrm{CH_3CH{=}O + H^+ \rightleftharpoons CH_3CH{=}OH^+}$
2. メタノールが付加し、プロトンが外れてヘミアセタールになる：$\mathrm{CH_3CH{=}OH^+ + CH_3OH \rightleftharpoons CH_3CH(OH)OCH_3 + H^+}$
3. ヒドロキシ基がプロトン化され、水が外れてオキソカルベニウムイオンになる：$\mathrm{CH_3CH(OH)OCH_3 + H^+ \rightleftharpoons CH_3CH{=}OCH_3^+ + H_2O}$
4. 2分子目のメタノールが付加し、プロトンが外れてアセタールになる：$\mathrm{CH_3CH{=}OCH_3^+ + CH_3OH \rightleftharpoons CH_3CH(OCH_3)_2 + H^+}$

各段階は可逆で、$\mathrm{H^+}$ は消費されずに戻る。

エステルの塩基による加水分解（けん化）は次の段階で進む。全体は $\mathrm{CH_3COOC_2H_5 + OH^- \longrightarrow CH_3COO^- + C_2H_5OH}$。

1. $\mathrm{OH^-}$ がカルボニル炭素に付加して四面体中間体 $\mathrm{CH_3C(O^-)(OH)OC_2H_5}$ ができる。
2. $\mathrm{C_2H_5O^-}$ が外れて酢酸 $\mathrm{CH_3COOH}$ ができる。
3. $\mathrm{CH_3COOH + C_2H_5O^- \longrightarrow CH_3COO^- + C_2H_5OH}$ の酸塩基反応が右へほぼ完全に進む。

3段階目でカルボン酸が脱プロトン化されるため、けん化は実質的に不可逆である。酸触媒による加水分解はすべての段階が可逆で、エステル化の逆反応にあたる。

クライゼン縮合は、エステルのエノラートが別のエステル分子に求核アシル置換を起こし、β-ケトエステルを作る反応である。$\mathrm{2CH_3COOC_2H_5 \longrightarrow CH_3COCH_2COOC_2H_5 + C_2H_5OH}$（ナトリウムエトキシドを使い、最後に酸で処理）。生成したβ-ケトエステルの2つのカルボニルに挟まれた水素は酸性が強く、アルコキシドで脱プロトン化される。この段階が平衡を生成物側へ引くので、塩基は1当量必要で、α水素を2個以上もつエステルでないと反応が進みにくい。