# 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・ケトンへの求核付加（ヒドリド還元、グリニャール反応、アセタール化）、カルボン酸誘導体の求核アシル置換と反応性の順、けん化、エノラートを経るアルドール反応とクライゼン縮合を、段階ごとの機構と計算例で解説します。

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- 最終更新: 2026-11-16
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カルボニル基 $\mathrm{C{=}O}$ の炭素は酸素に電子を引かれて正に分極し、求核剤が付加して四面体中間体ができる。アルデヒドとケトンでは中間体がそのままアルコールになり（求核付加）、エステルや酸塩化物のように脱離基をもつカルボン酸誘導体では脱離基が外れて別の誘導体になる（求核アシル置換）。カルボニル基の隣（α位）の水素は酸性で、塩基で引き抜くとエノラートができ、別のカルボニル化合物に付加してアルドール反応やクライゼン縮合を起こす。

## カルボニル基の分極と求核付加の基本

### 定義：求核付加と四面体中間体

求核剤 $\mathrm{Nu^-}$ が平面の $\mathrm{sp^2}$ カルボニル炭素を攻撃すると、π結合の電子が酸素に移り、$\mathrm{sp^3}$ の四面体中間体（アルコキシドイオン）ができる。

$$\mathrm{R_2C{=}O + Nu^- \longrightarrow R_2C(Nu){-}O^-}, \qquad \mathrm{R_2C(Nu){-}O^- + H^+ \longrightarrow R_2C(Nu){-}OH}$$

酸触媒はカルボニル酸素をプロトン化して炭素の正電荷を大きくし、弱い求核剤（水、アルコール）の付加を速める。

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。

## ヒドリド還元・グリニャール反応・アセタール化

### アルデヒド・ケトンへの主な求核付加

- ヒドリド還元

  $$\mathrm{R_2C{=}O} \xrightarrow{\ 1)\ \mathrm{NaBH_4}\quad 2)\ \mathrm{H_2O}\ } \mathrm{R_2CH{-}OH}$$

  アルデヒドは第一級、ケトンは第二級アルコールになる。$\mathrm{NaBH_4}$ はふつうエステルやカルボン酸を還元しない。$\mathrm{LiAlH_4}$ はエステル・カルボン酸も第一級アルコールに、アミドをアミンに還元する。

- グリニャール反応

  $$\mathrm{R_2C{=}O} \xrightarrow{\ 1)\ \mathrm{R'MgBr}\quad 2)\ \mathrm{H_3O^+}\ } \mathrm{R_2R'C{-}OH}$$

  ホルムアルデヒドから第一級、他のアルデヒドから第二級、ケトンから第三級アルコールができる。グリニャール試薬は強塩基なので、水・アルコール・カルボン酸などの酸性水素があると先に中和されて働かない。

- シアノヒドリン

  $$\mathrm{R_2C{=}O + HCN \rightleftharpoons R_2C(OH)CN}$$

  少量の塩基で $\mathrm{CN^-}$ を作ると速く進む。

- アセタール

  $$\mathrm{R_2C{=}O + 2R'OH \rightleftharpoons R_2C(OR')_2 + H_2O}$$

  酸触媒の可逆反応。水を除くと右へ進み、水を加えた酸性条件で元に戻る。塩基や求核剤には安定なので、カルボニル基の保護に使う。

- イミン

  $$\mathrm{R_2C{=}O + R'NH_2 \rightleftharpoons R_2C{=}NR' + H_2O}$$

  第一級アミンとの縮合。弱酸性で速い。

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。

### 計算例：グリニャール反応で第三級アルコールを作る

アセトンに臭化メチルマグネシウムを反応させ、希酸で処理した。生成物を答え、反応を段階ごとに書け。

解答：

1. メチル基がカルボニル炭素に付加し、マグネシウムアルコキシドができる。

$$\mathrm{(CH_3)_2C{=}O + CH_3MgBr \longrightarrow (CH_3)_3C{-}OMgBr}$$

2. 酸の水溶液でプロトン化する。

$$\mathrm{(CH_3)_3C{-}OMgBr + H_2O \longrightarrow (CH_3)_3C{-}OH + Mg(OH)Br}$$

生成物は 2-メチルプロパン-2-オール（tert-ブチルアルコール）。

検算：

各式で原子数がつり合う（1式目は左右とも $\mathrm{C_4H_9OMgBr}$）。ケトンから第三級アルコールになり、炭素数はアセトンの3にメチル基の1を足した4になる。

## カルボン酸誘導体の求核アシル置換

### 定理・法則：求核アシル置換の機構と反応性の順

条件：

脱離基 L をもつカルボン酸誘導体 $\mathrm{RCOL}$（酸塩化物、酸無水物、エステル、アミド）と求核剤。

主張：

付加と脱離の2段階で進む。

$$\mathrm{RCOL + Nu^- \longrightarrow RC(O^-)(L)Nu \longrightarrow RCONu + L^-}$$

反応性は、脱離基が弱い塩基であるほど大きく、酸塩化物 > 酸無水物 > エステル > アミド の順になる（脱離基の塩基性 $\mathrm{Cl^- < RCOO^- < RO^- < NH_2^-}$ の逆順）。反応性の高い誘導体から低い誘導体へは直接変換できる。

要点：

アミドが反応しにくいのは、窒素の非共有電子対がカルボニル基と共鳴してC=Oの正電荷を弱めることも効いている。カルボン酸は塩基性条件ではカルボキシラートイオンになり、負電荷のため求核剤の攻撃を受けにくい。

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。

### 計算例：エステルにグリニャール試薬を2当量反応させる

酢酸エチルに臭化メチルマグネシウムを過剰に反応させ、希酸で処理した。生成物を答えよ。

解答：

1. $\mathrm{CH_3^-}$ が付加し、エトキシドが外れてアセトンになる（求核アシル置換）。

$$\mathrm{CH_3COOC_2H_5 + CH_3MgBr \longrightarrow (CH_3)_2C{=}O + C_2H_5OMgBr}$$

2. アセトンはエステルより反応しやすいので、すぐに2分子目が付加する（求核付加）。

$$\mathrm{(CH_3)_2C{=}O + CH_3MgBr \longrightarrow (CH_3)_3C{-}OMgBr}$$

3. 酸で処理して 2-メチルプロパン-2-オールになる。ケトンの段階では止まらない。

検算：

上のアセトンの例と同じ生成物で、エステルの炭素数2（アシル部分）に2つのメチル基を足して4になる。グリニャール試薬はエステル1 mol あたり2 mol 消費される。

### 計算例：けん化に必要な水酸化ナトリウムの量

酢酸エチル $8.81\ \mathrm{g}$ を完全にけん化するのに必要な水酸化ナトリウムの質量と、生じる酢酸ナトリウムの質量を求めよ。原子量は $\mathrm{H} = 1.008$、$\mathrm{C} = 12.011$、$\mathrm{O} = 15.999$、$\mathrm{Na} = 22.990$ とする。

解答：

$\mathrm{CH_3COOC_2H_5}$（$\mathrm{C_4H_8O_2}$）のモル質量は $88.106\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$ なので、物質量は $8.81/88.106 = 0.1000\ \mathrm{mol}$。けん化は $\mathrm{CH_3COOC_2H_5 + NaOH \longrightarrow CH_3COONa + C_2H_5OH}$ で1:1。

$\mathrm{NaOH}$（$39.997\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$）は $0.1000 \times 39.997 = 4.00\ \mathrm{g}$、$\mathrm{CH_3COONa}$（$82.034\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$）は $8.20\ \mathrm{g}$ 生じる。

検算：

質量保存で確かめる。反応物 $8.81 + 4.00 = 12.81\ \mathrm{g}$ と、生成物 $8.20 + 0.1000 \times 46.069 = 12.81\ \mathrm{g}$（エタノール $4.61\ \mathrm{g}$）が一致する。

## エノラートとアルドール反応・クライゼン縮合

### 定義：ケト・エノール互変異性とエノラート

α水素をもつカルボニル化合物は、ケト形 $\mathrm{CH_3CHO}$ とエノール形 $\mathrm{CH_2{=}CHOH}$ の間で平衡にあり、単純なアルデヒド・ケトンではケト形が大きく優勢である。α水素を塩基で引き抜くと、負電荷がα炭素と酸素に共鳴で分散したエノラートイオンができる。α水素が通常の C–H より酸性なのはこの共鳴安定化による。エノラートはα炭素で求核剤として働く。

### 定理・法則：アルドール反応

条件：

少なくとも一方のカルボニル化合物がα水素をもつ（エノラートになる側）。塩基または酸の触媒。ホルムアルデヒドやベンズアルデヒドのようにα水素をもたない化合物は、受け手（求電子剤）としてだけ働く。

主張：

エノラートが別の分子のカルボニル炭素に付加し、β-ヒドロキシカルボニル化合物（アルドール）ができる。加熱すると脱水して α,β-不飽和カルボニル化合物になる（アルドール縮合）。

$$\mathrm{2CH_3CHO \longrightarrow CH_3CH(OH)CH_2CHO \longrightarrow CH_3CH{=}CHCHO + H_2O}$$

要点：

機構は、塩基によるα水素の引き抜き、エノラートの求核付加、アルコキシドのプロトン化の3段階。異なる2種類のアルデヒドを混ぜる交差アルドールでは最大4種類の生成物ができるので、一方をα水素のない化合物にして生成物を絞る。

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。

### 計算例：プロパナールのアルドール反応

プロパナール $\mathrm{CH_3CH_2CHO}$ を希水酸化ナトリウム水溶液で処理したときのアルドールと、加熱したときの縮合生成物を答えよ。

解答：

1. $\mathrm{OH^-}$ がα水素（C2）を引き抜き、エノラート $\mathrm{CH_3CH{=}CHO^-}$（α炭素に負電荷をもつ共鳴構造 $\mathrm{CH_3}\overset{-}{\mathrm{C}}\mathrm{H{-}CHO}$）ができる。
2. エノラートのα炭素が別のプロパナールのカルボニル炭素に付加する。
3. 生じたアルコキシドが水からプロトンを受け取る。

$$\mathrm{2CH_3CH_2CHO \longrightarrow CH_3CH_2CH(OH)CH(CH_3)CHO}$$

アルドールは 3-ヒドロキシ-2-メチルペンタナール。加熱すると C2 の水素と C3 のOHが外れて、2-メチルペント-2-エナール $\mathrm{CH_3CH_2CH{=}C(CH_3)CHO}$ になる。

検算：

炭素数は $3 + 3 = 6$ で、ペンタナール（主鎖5）にメチル基1つを加えた数と一致する。新しい C–C 結合は、一方のα炭素（C2）と他方のカルボニル炭素の間にでき、メチル基はアルデヒド基の隣に来る。

## 答案でよくある誤り

1. エステルとグリニャール試薬の反応をケトンで止める。中間のケトンはエステルより反応しやすいので、2当量が付加して第三級アルコールになる。
2. $\mathrm{NaBH_4}$ でエステルやカルボン酸を還元する。ふつうの条件で $\mathrm{NaBH_4}$ が還元するのはアルデヒドとケトンで、エステル・カルボン酸の還元には $\mathrm{LiAlH_4}$ を使う。
3. アセタールを塩基性の水溶液で加水分解する。アセタールは塩基に安定で、酸性の水溶液で元のカルボニル化合物に戻る。保護基として使えるのはこの性質による。
4. けん化を可逆反応として平衡定数で扱う。最後にカルボン酸が脱プロトン化されてカルボキシラートになるので、塩基性条件の加水分解は実質的に不可逆である。
5. アルドール反応で、α水素のないアルデヒドからエノラートを書く。ベンズアルデヒドやホルムアルデヒドはエノラートにならず、カルボニル基の受け手としてだけ反応する。
6. アルドールの新しい C–C 結合をカルボニル炭素どうしの間に書く。結合するのは、エノラート側のα炭素と、受け手側のカルボニル炭素である。