Il carbonio a loro volta insieme all’ossigeno sono legati anche tramite un legame π ovvero attraverso una sovrapposizione orbitale p di C ed orbitale p di O.
L’ossigeno possiede inoltre due coppie di elettroni non condivise che vanno ad occupare i due orbitali sp2 restanti. Data l’elevata differenza di elettronegatività possiamo consideralo un gruppo polare dove si forma una nube carica negativamente mediante l’ossigeno ed una carica positivamente nella zona del carbonio.
Il carbonio a sua volta sembra essere particolarmente suscettibile agli attacchi nucleofili, dove il legame π viene spezzato seguendo l’angolo di Burgi-Dunitz. Questo gruppo carbonilico, è presente in diverse classi di composti organici ed è un legame importante in chimica per la sua elevata reattività per questo può essere impiegato come punto di attacco sia per allungare che per spezzare catene di atomi.
Viene molto utilizzato nelle proteine ovvero lunghissime catene dotate principalmente di legami peptidici dove è contenuto il carbonile. Sono molti gli enzimi che vanno ad agire proprio sul carbonile in maniera tale da poterlo spezzare e dividere le proteine in tanti segmenti.
A determinare la reattività è l’effetto del sostituente del composto carbonilico, ovvero un sostituente elettron attrattore che ha una elettonegatività nettamente maggiore rispetto al carbonio, che tende ad attrarre la nuvola elettronica del carbonio facendo aumentare in questa maniera la sua carica positiva parziale. Tale sostituente agirà con un effetto -l e rendendo in maniera tale il carbonio più sensibile agli attacchi da parte dei nucleofiti. Quindi in base a quanto abbiamo detto, i più reattivi sono i cloruri acilici ed a seguire le anidridi, che reagiscono senza avere bisogno di catalisi.
Per quanto riguarda le aldeidi ed i chetoni, dove i sostituenti presentano la stessa elettronegatività che ha il carbonio, l’effetto sarà totalmente differente perché l’ossigeno attira la nuvola elettronica di legami con il carbonio perché appunto più elettronegativo.
Tale carbonio possiede dei sostituenti ovvero altri carboni che a loro volta riescono in qualche modo a fornire il carbonio carbonilico di una nuvola elettronica che gli conferisce una parte di negatività come avviene per i cloruri acilici, anche se conserverà una parte della sua positività. Detto questo possiamo affermare che sia le aldeidi che i chetoni reagiscono in maniera agevolata con nucleofili forti, mentre quelli deboli tendono ad avere la necessità di un catalizzatore acido.
Quando è presente come sostituente un atomo con la capacità di sostenere tutte le strutture di risonanza, tale struttura a sua volta è capace di stabilizzare il carbonio carbonilico fino a farlo divenire meno elettrofilo. Il catalizzatore acido servirà quindi di aiuto sia agli esteri che agli ammidi per reagire con sostituzione nucleofila acilica, mentre gli acidi carbossilici reagiscono solo mediante un catalizzatore di natura acida perché con un catalizzatore di natura basica si formerà il sale che a sua volta non potrà reagire con nucleofili sul carbonio carbossilico.
Nel legame C=O la polarizzazione presente tende ad influenzare anche le proprietà fisiche che si trovano nei composti carbonili, come ad esempio il punto di ebollizione. In questa tipologia di molecole i legami che sono polarizzati in maniera permanente fanno aumentare la tendenza delle molecole stesse ad associarsi in chetoni e aldeleidi causando in questa maniera l’ebollizione più elevata degli idrocarburi con lo stesso peso molecolare, ma più basse rispetto a quelle degli alcoli corrispondenti perché le interazioni dipolo-dipolo tendono ad essere molto più deboli rispetto ai legami di idrogeno.
La polarità presente nel carbonile va ad influenzare anche la solubilità presente nei carbonilici, infatti quelli che hanno un basso peso molecolare sono solubili in acqua perché anche se non sono in grado di formare dei legami di idrogeno tra di loro, tendono a formare legami di idrogeno con altri tipi di composti chimici aventi gruppi sia O-H che N-H.