Карбонильная группа (С=О) обладает выраженной полярностью: атом углерода находится в состоянии частичного положительного заряда вследствие смещения электронной плотности к более электроотрицательному атому кислорода. Это делает углеродный атом карбонила электрофильным центром, доступным для атаки нуклеофильными реагентами. Кислород, несущий частичный отрицательный заряд, способен к образованию водородных связей и может быть протонирован, что дополнительно активирует карбонильную группу.
Нуклеофильное присоединение является ключевой реакцией для альдегидов и кетонов, а также для производных карбоновых кислот, однако в последнем случае реакция часто сопровождается стадией отщепления заместителя. В случае простых альдегидов и кетонов результатом взаимодействия с нуклеофилами становится образование различных производных — спиртов, циангидринов, ацеталей и др.
Механизм состоит из двух основных стадий:
В случае кислой активации протонирование кислорода предшествует атаке нуклеофила, что увеличивает электрофильность углерода. При щелочной активации нуклеофил предварительно превращается в более сильный реагент, например, анион.
Гидратация карбонильных соединений приводит к образованию геминальных диолов. В водной среде равновесие обычно смещено в сторону исходного карбонильного соединения, однако при наличии электроноакцепторных заместителей (например, в хлоральгидрате) стабильность гидрата возрастает.
Карбонильные соединения взаимодействуют со спиртами с образованием полуацеталей, которые в присутствии кислотного катализатора превращаются в ацетали. Полуацетали нестабильны и могут существовать в равновесии с исходными соединениями, тогда как ацетали относительно устойчивы к гидролизу в нейтральной среде и служат защитными группами для альдегидов и кетонов.
Реакция с HCN приводит к образованию циангидринов. Нуклеофильная атака осуществляется ионом CN⁻, после чего происходит протонирование кислородного атома. Продукты представляют собой функционально богатые соединения, содержащие одновременно гидроксильную и цианогруппу, что делает их ценными синтетическими промежуточными веществами.
Первичные амины реагируют с карбонильными соединениями с образованием нестабильных карбиноламинов, которые дегидратируются с образованием иминов (оснований Шиффа). Вторичные амины образуют енамины. Эти реакции протекают быстрее в присутствии слабых кислот, катализирующих стадии протонирования и дегидратации.
Карбонильные соединения способны образовывать тиоацетали при взаимодействии с тиолами в присутствии кислотного катализатора. Эти производные устойчивы к воздействию щелочей и могут быть восстановлены до углеводородов (реакция Раней-никелем).
Скорость реакций нуклеофильного присоединения зависит от природы нуклеофила, строения карбонильного соединения и условий среды. Кислотный катализ повышает электрофильность углеродного атома за счёт протонирования кислорода. Щелочной катализ усиливает нуклеофильность реагентов. Вода, спирты и другие растворители могут влиять на реакцию через сольватацию и стабилизацию промежуточных комплексов.
Реакции нуклеофильного присоединения лежат в основе многих синтетических процессов органической химии. Они позволяют получать широкий спектр соединений: спирты, амины, аминокислоты, углеводы, полиолы и разнообразные защитные производные. Эти процессы имеют фундаментальное значение как в лабораторной, так и в промышленной органической химии.