羰基
基（carbonyl group）是指由碳与氧原子由双键连接而成的有机官能团，羰基化合物的通式为RC=OR’。羰基是醛基、、酯基、羧酸和羧酸酯等官能团的组成部分。羰基中的碳原子和氧原子由于电负性的差异（氧原子的电负性大于碳原子），碳原子带有部分正电荷，氧原子带有部分负电荷，带正电荷的碳原子容易被亲核试剂进攻从而发生亲核加成反应。由于羰基具有不饱和的双键，羰基还可以发生还原反应。在配位化合物中，一氧化碳配体被称作羰基。
羰基的简介
羰基（C=O）是碳和氧原子经过双键连接而成的有机官能团，羰基中，碳原子以三个sp²杂化轨道形成三个σ键，其中一个是和氧形成的，这三个键在同一平面，彼此间的角间距约为120˚，如下图所示，碳原子的p轨道和氧原子的p轨道重叠形成一个π键，与σ键所成的平面垂直，因此羰基的碳氧双键是由一个σ键和一个π键形成的。
含有羰基的化合物被称为羰基化合物。羰基化合物的种类很多，包括醛、酮、、酰胺、羧酸等。羰基中碳原子的电负性为2.5，氧原子的电负性为3.5，所以羰基中碳原子上带有部分正电荷，氧原子上带有负电荷，羰基化学性质活泼，容易与亲核试剂发生亲核加成反应。在配位化合物中，羰基是一类重要的配体，可以与金属络合形成配位化合物，例如Cr(CO)₆、Fe(CO)₅、Ni(CO)₄等。实验研究表明，配位化合物中羰基的键长比CO中碳氧双键的键长要长，红外光谱伸缩振动频率要小，这说明被配位的羰基中碳氧键被削弱了。
重要羰基化合物的命名
醛、酮是重要的羰基化合物。根据与羰基碳相连的烃基的不同，可以将醛酮分为脂肪族醛、酮，芳香族醛、酮，饱和醛、酮以及不饱和醛酮；当酮基连接两个相同的烃基时，这种酮被称为对称酮或简单酮，例如丙酮；当酮羰基连接两个不同的烃基时，这种酮被称为混合酮或不对称酮，例如甲基乙基酮。
系统命名法
当化合物中只含有一个羰基时，将含有官能团的最长链作为母体化合物。首先是选含有羰基的最长链为主链，之后按照官能团编号最小的原则给主链碳编号，这个过程中必须要确认分子是否有构型，最后就是按照名称基本格式将化合物的全名写出来。例如：
这个化合物就是一个有构型的含有一个羰基的化合物，命名时将含羰基的化合物作为最长链，编号时让羰基的位号最小，C4具有手性，因此需要确认其分子构型为S型，最后按照：“构型-取代基位号-取代基名称-官能团位置-母体名称”的格式写出化合物全名。
当化合物含有两个或多个羰基时，将含有官能团最多的长链作为母体化合物。首先选含有官能团最多的长链为主链，编号时让主链上的官能团位号都尽可能小，之后确认化合物构型，最后按照名称基本格式写出化合物全名。
其他命名法
一些低级醛的命名可以按照被氧化后生成的羧酸来命名，例如蚁醛、月桂醛（甲醛、十二醛）。当醛基直接与环状化合物连接时，可以直接在环状化合物的名称后加上甲醛来命名，例如苯甲醛是醛基直接与苯环连接的化合物，环己醛是醛基直接与环己连接的化合物。当醛基与带有支链的环状化合物上的支链直接相连时，可以将环的名称与脂肪醛的名称直接连接起来命名，例如苯乙醛是醛直接与甲苯连接而成的化合物。
酮的普通命名法是直接用与羰基相连的两个烃基来命名的，通常简单的烃基放在前面，复杂的烃基放在后面，名称最后加上（甲）酮。例如：甲基苯基（甲）酮、乙基环己基（甲）酮等。当羰基一边与脂肪链相连，另一边与环相连时，还可以用单衍生物的方式命名。命名时，链与羰基称为某酰（基）放在前面，环的名称放在后面，例如乙酰环丙烷（过程稿）、丙酰苯。
羰基的特征
羰基的红外光谱在1750~1680 cm⁻¹之间有一个非常强的伸缩振动吸收峰，我们把这一频率范围称为羰基的特征频率，不同羰基化合物中羰基的伸缩振动吸收位置略有不同。
醛、酮化合物中羰基的伸缩振动吸收位置为：RCHO 1740~1720 cm⁻¹，RR'C=C-CHO 1705~1680 cm⁻¹，ArCHO 1717~1605 cm⁻¹，RR'C=O 1725~1705 cm⁻¹，RR'C=C-C=OR'' 1685~1665 cm⁻¹，ArRC=OR' 1700~1680 cm⁻¹。
羧酸中羰基的伸缩振动吸收位置为：RCOOH（单体：1770~1750 cm⁻¹，聚合体：1710 cm⁻¹），CH2=CH-COOH（单体：1720 cm⁻¹，聚合体：1690 cm⁻¹），ArCOOH（聚合体：1700~1680 cm⁻¹）。
酯中羰基的伸缩振动吸收位置为：R'COOR：1735 cm⁻¹，R'C=C-COOR/ArCOOR：1720 cm⁻¹，RCOOC=CR'R''/RCOOAr：1760 cm⁻¹。
酰卤中羰基的伸缩振动吸收位置为：脂肪酰卤的伸缩振动吸收位置在1800 cm⁻¹区域；芳香酰卤的羰基伸缩振动吸收位置在1785~1765 cm⁻¹区域，除此以外，芳环与羰基之间的C-C伸缩振动吸收由于在强峰附近被影响，吸收强度由原来的弱倍峰频（875 cm-1）升高至1750~1735 cm⁻¹区域。
酰胺中羰基的伸缩振动吸收位置为：一级酰胺RCONH2的羰基伸缩振动吸收位置约为1690 cm⁻¹区域；聚合体约在1650 cm⁻¹区域；二级酰胺RCONHR'的羰基伸缩振动吸收位置约为1680 cm⁻¹区域；聚合体在1650 cm⁻¹区域。三级酰胺RCONR'R''的羰基伸缩振动吸收位置约为1650 cm⁻¹区域。
羰基的物化性质
物理性质
由于羰基的偶极矩作用增加了分子间的吸引力，因此醛、酮的沸点会高于相应分子量的烷烃。由于醛、酮中羰基上的氧原子可以与水形成氢键，所以一些分子量小的低级醛、酮可以与水互融，例如甲醛、丙酮等。但随着分子量的增加，醛、酮在水中的溶解度会下降，微溶甚至不溶，例如苯甲醛、苯乙酮等。
化学性质
亲核加成
由于羰基中氧原子的电负性比碳大，碳原子带有部分正电荷，因此带有负电荷的亲核试剂更容易进攻碳原子，反应过程中，π键断裂成两个σ键，这就是羰基化合物的亲核加成过程。羰基的亲核加成过程既可以发生在酸性条件下，也可以发生在碱性条件下。常见的亲核试剂有含碳亲核试剂，例如有机镁试剂、有机锌试剂、有机锂试剂、炔化物等；含氮亲核试剂，例如苯胺、四氢吡咯等；含氧亲核试剂，例如水、醇等。
与含碳亲核试剂的加成
Reformatsky反应是醛、酮与𝛂-卤代羧酸酯和锌在惰性溶剂中发生缩合生成𝛃-羟基羧酸酯的反应，它的本质是有机锌试剂对含有羰基的化合物进行的亲核加成反应。
Grignard反应（格氏反应）是有机镁试剂（碘化甲基镁RMgX）与含羰基这类的亲电试剂发生的亲核加成反应。格氏试剂与醛、酮反应的通式如下：
炔化物是一类很强的亲核试剂，例如炔化锂、炔化钠等。炔化物可以进攻醛、酮的羰基发生亲核反应生成相应的𝛂-炔基醇。
与含氮亲核试剂的加成
胺类化合物也是一类常见的亲核试剂，可以与醛、酮等羰基化合物发生亲核加成反应。一级胺和仲胺均可与醛、酮发生亲核加成反应，但由于加成产物不稳定，往往会失去一分子水，分别得到亚胺和烯胺。
一级胺的反应机理可用下图表示：
二级胺的反应机理可用下图表示：
羟胺在有机合成中也常被用作亲核试剂，它可以和醛、酮发生亲核加成反应，之后失水得到对应的醛和酮肟。
与含氧亲核试剂的加成
醇作为一种亲核试剂可以与醛、酮发生亲核加成反应。反应过程需要加入对甲苯磺酸、氯化氢等酸性催化剂。反应分两步进行，先是生成半缩醛、半缩酮，之后再次在酸的催化下与醇作用，生成缩醛和缩酮。从反应的总体情况来看，就是一分子醛、酮与两分子醇反应，失去一分子水得到产物缩醛和缩酮。反应的通式如下：
半缩醛（酮）的稳定性很差，在酸性条件和碱性条件下都是不稳定的，缩醛（酮）在酸性条件下不稳定，但是在碱性条件下是稳定的。醛、酮与二醇的这一反应特性在有机合成中可以用于保护羟基和羰基。
与其他亲核试剂的加成
亚硫酸氢钠与醛的反应常用于醛基化合物的纯化。向醛基化合物中加入亚硫酸氢钠并一同振荡，不需要任何催化剂即可发生亲核加成反应，得到的醛亚硫酸氢钠加合物是一种可以溶于水的盐。这个反应是一个可逆的反应，当向该体系中加入酸或碱时，亚硫酸氢钠可以被除去，醛基化合物重新被离解出来。
羰基α活泼氢的反应
有机化合物中与羰基直接相连的碳被称为α碳，α碳上的氢被称为α氢，α氢具有一定的酸性，且与α氢相连的基团吸电子能力越强，α氢的酸性就越强。羰基的吸电子能力很强，所以羰基化合物的α氢一般都很活泼。羰基化合物的种类很多，与羰基相连的基团不同，羰基化合物中α氢的酸性也有所不同。
羰基α氢的活性高有两个原因，一是羰基的强吸电子效应，二是由于α碳氢键与羰基的超共轭效应。
α氢的卤化反应
在酸性或碱性条件下，羰基的α氢被卤族元素取代的反应称为α氢的卤化反应。
酸催化的机理如下：
碱催化的机理如下：
α氢的卤仿反应
甲基酮类化合物在碱性条件下与氯、溴、碘作用，分别生成三氯甲烷、三溴甲烷、碘仿的反应称为卤仿反应。反应的通式如下：
烯醇的互变异构
含有α-H的羰基化合物化学性质活泼，非常容易发生互变现象，得到它的烯醇式异构体：
受PH值的影响，体系中这两种互变异构体存在着一种平衡，但在大部分情况下，平衡是趋向于酮式的。这是因为酮式异构体的化学键键能之和要大于烯醇式的键能之和，即酮式异构体的热力学稳定性更高，故烯醇式异构体通常是无法从体系中分离出来的。但在低温下，酮式和烯醇式二者互变的速率减慢，在适当的条件下又可能分开。
在某些结构中，随着α氢活性的增大，失去α氢后形成的碳负离子稳定性增大，烯醇式异构体的含量也可以多于酮式，成为平衡体系中的主要存在形式。酮式和烯醇式的含量与所处溶剂的极性也有关系，例如在非质子溶剂中，由于烯醇式可以形成分子内氢键，因此非质子溶剂对烯醇式的形成是有利的。
羰基化合物的氧化反应
醛基化合物极易被氧化，许多氧化剂都可以将醛氧化成羧酸，常见的氧化剂有高锰酸钾、过氧化氢、铬酸等。许多醛类化合物在空气中就可以被氧化，这个过程被称为醛基的自氧化过程。自氧化过程一般遵循的是自由基机理，可能的机理如下：
无活泼α氢的醛在强碱（氢氧化钠、氢氧化钾）的作用下会发生分子间的氧化还原反应，生成一分子羧酸和一分子醇，这个反应被称为康尼扎罗歧化反应。在这个过程中，首先是碱对羰基进行亲核加成得到氧阴离子，然后碳上的氢以负离子的形式转移到另一分子醛的羰基碳上。
以苯甲醛为例，反应过程如下：
羰基一般不容易发生氧化反应，在剧烈的条件下，羰基与α碳之间的化学键会发生断裂，形成两分子羧酸。环状的羰基酮类化合物氧化发生化学键的断裂时可以得到分子内含两个末端羧酸的化合物。
Baeyer-Villiger（拜耳-维利格）氧化重排反应是使用过氧酸将酮氧化，发生亲核重排为酯的反应。常用的过氧酸包括三氟过氧乙酸、3,5-二甲基过氧苯甲酸、对硝基过氧苯甲酸等。
这个反应通常分两步进行，先是过氧酸作为亲核试剂对底物分子中的羰基进行亲核加成，得到四取代中间体。之后是R²基团发生迁移，中间体重排得到酯和酸。与羰基相连基团的迁移能力主要看形成正电荷基团后的稳定性，一般得到的正电荷基团越稳定，越容易发生迁移，因此，富电子及大位阻的基团优先迁移。
羰基化合物的还原反应
醛、酮的羰基可以发生还原反应生成含有亚甲基、羟基等基团的化合物。
Clemmensen还原（反应）
Clemmensen（克莱森）还原反应是使用锌汞齐和浓盐酸将醛、酮化合物还原为亚甲基化合物的反应。反应通式如下：
Luche还原
Luche还原是指烯酮在氯化铈的存在下，被硼氢化钠选择性的还原为相应烯醇的反应，Luche曾多次对该反应进行过相关报道。
其他的化学反应
Aldol缩合
Aldol缩合也被称为羟醛缩合，是指羰基化合物与烯醇阴离子或者烯醇化合物的缩合反应。最简单的例子就是一个烯醇负离子对醛（醛基）加成得到醇（alcohol），所以将这类反应命名为Aldol缩合。
该反应的一个例子是Doherty在2008年报道的环己酮与4-氯苯甲醛的缩合反应。
Wittig（维蒂希）反应
wittig反应是羰基醛、酮化合物与维蒂希试剂（磷叶立德）作用生成烯烃和三苯基氧化膦的一类反应。这个反应是以德国化学家格奥尔格∙维蒂希的姓氏命名的，格奥尔格∙维蒂希在1954年发明了这个反应，1979年因此获得诺贝尔化学奖。维蒂希反应的通式如下：
羰基化合物的合成
醇的氧化
Oppenauer氧化法
Oppenauer氧化法是一种选择性的氧化醇的方法，在2-甲基-2-丙醇铝或异丙醇铝等碱的存在下，仲醇和酮（丙酮、甲基乙基甲酮、环己酮等）发生反应。反应过程中，醇上的两个氢原子转移到酮分子上，将酮分子还原成醇，同时，原本的醇转化为酮。该反应可选用甲苯或者苯作为反应的溶剂。
Pfitzner-Moffatt氧化法
Pfitzner-Moffatt氧化法是一种使用DCC（二环己基碳二亚胺）和DMSO（二甲基亚砜），将一级醇或二级醇氧化成对应醛或酮的方法。
在该反应过程中，DCC作为失水剂，接受一分子水变成的衍生物，DMSO则转变为二甲硫醚。
Corey-Kim氧化（反应）
Corey-Kim氧化反应是一种醇在NCS（N-氯代丁二酰亚胺）和DMS（二甲硫醚）的作用下，经碱处理得到醛或醇的反应。
该反应的机理首先是DMS进攻NCS上的N-Cl键从而产生了亲电的硫阳离子，之后醇作为亲核试剂进攻硫正离子，得到含有S-O键的中间体，碱从二甲硫醚的甲基夺取质子生成硫叶立德，最后，硫叶立德分解得到二甲基硫气体和产物醛或酮。
Friedel-Crafts（傅-克反应）酰基化
傅-克反应是芳香性化合物和酰卤或酸酐在质子酸或路易斯酸的催化下，发生亲电取代生成羰基化合物的反应。
该反应过程首先是酰卤与路易斯酸发生络合，卤族元素原子离去得到碳正离子，之后碳正离子进攻苯环，取代苯环上的氢得到羰基酮化合物。
Meyer-Schuster重排
Meyer-Schuster重排是指在酸催化剂（食用醋酸、盐酸、硫酸等）的催化下，α-炔基取代的仲醇或叔醇重排为α,β-不饱和羰基化合物的反应。
该反应的机理首先是羟基质子化经E1消除离去得到双烯中间体，之后水分子进攻碳正离子并失去质子，最后发生互变异构得到α,β-不饱和羰基化合物。
Pinacol重排
Pinacol重排是指邻二醇在酸性条件下重排为频哪酮pinacolone的反应。
该反应的机理首先是羟基进行质子化脱水得到碳正离子，同时烷基迁移，发生重排得到频哪酮。在不对称取代的二醇中进行重排时，一般是能形成更稳定碳正离子的碳上的羟基更容易发生质子化离去。碳正离子形成后，当与之相连的碳上有两个基团时，一般是能提供电子和稳定正电荷较多的基团优先迁移，但在具体的实验过程过，得到的通常是两种重排产物。重排迁移时基团的先后次序通常为给电子芳基\u003e苯基\u003e烷基。从立体化学的角度来看，当迁移基团与离去基团处于反式，反式－己二烯二酸位置时，重排更容易发生。
Wacker氧化反应
Wacker氧化反应是指烯烃化合物在金属催化剂钯的催化下被氧化为醛、酮的反应。
该反应可能的反应机理如下：首先是烯烃与氯化钯络合，之后水作为亲核试剂去进攻配位化合物，质子离去。接着质子发生转移，钯离去，同时重排得到羰基化合物。离去的钯进行还原消除得到零价钯，零价钯被二价铜氧化为二价钯继续参与催化循环，同时铜变为一价，一价铜在氧气的氧化下又重新变为二价铜。
Alper羰基化（反应）
Alper羰基化反应是指邻位含有脂肪胺的卤代芳烃、烯基胺、氮杂环丙烯等化合物和一氧化碳CO在金属催化剂钯、、钌等的催化下，进行的插羰扩环-羰基化反应。
该反应的机理如下：
首先是二价的乙酸钯与三苯基膦配体配位得到零价钯，之后芳基碘代物与零价钯进行氧化加成得到二价钯中间体，一氧化碳插入，得到二价环钯中间体，最后是还原消除，得到羰基化产物和零价钯，接着零价钯继续参与反应循环。
羰基的应用
不对称合成
Noyori（野依良治）不对称氢化（反应）
Noyori不对称氢化指的是羰基化合物或烯烃化合物在Ru(II)BINAP手性配体的催化下，发生的不对称氢化还原反应。
Ru(II)BINAP配体的结构如下：
在羰基化合物的不对称氢化过程中，[RuX₂(BINAP)]先在氢气作用下形成单氢钌配合物，才参与到催化循环中。可能的机理如下：
Midland还原（反应）
Midland还原反应是羰基酮在基硼烷作用下发生的不对称氢化反应。反应的通式如下：
可能的反应机理如下：
合成硫羰基
Lawesson（劳森试剂）试剂
劳森试剂反应指的是将酮、酰胺和酯基等含羰基化合物转化为相应硫羰基化合物的反应。劳森试剂反应的通式如下：
劳森试剂在溶液中是以更活泼的二硫磷叶立德的平衡状态存在的，它们是主要的反应活性中间体。反应过程中，硫叶立德与羰基作用得到一种硫氧膦四环中间体，之后环断裂得到硫羰基化合物和氧膦。