Присоединение большинства реагентов по двойной связи С=О происходит как ионная реакция по механизму нуклеофильного присоединения A_N (от англ. nucleophile addition).

1. Присоединение циановодородной (синильной) кислоты HCN:
   
   Нуклеофил — группа :CN^– в составе молекулы HCN.
   Эта реакция используется для удлинения углеродной цепи, а также для получения α-гидроксикислот R-CH(COOH)OH по схеме:
   R–CH(CN)OH + H₂O R–CH(COOH)OH + NH₃
2. Присоединение спиртов с образованием полуацеталей (катализатор – кислота или основание):
   
   Нуклеофил — молекула спирта с неподеленной парой электронов на атоме кислорода.
   Полуацетали — соединения, в которых атом углерода связан с гидроксильной (-ОН) и алкоксильной (-OR) группами R–CH(OR)ОН.
   
   Взаимодействие полуацеталя с еще одной молекулой спирта (в присутствии кислоты) приводит к замещению полуацетального гидроксила на алкоксильную группу OR' и образованию ацеталя:
   
   Механизм реакции — нуклеофильное замещение группы OH на OR.
   Ацетали – соединения, в которых атом углерода связан с двумя алкоксильными (-OR) группами R–CH(OR)₂.
   Образование ацеталей из полуацеталей подобно реакции получения простых эфиров при межмолекулярной дегидратации спиртов (Реакции дегидратации спиртов). Реакции карбонильных соединений со спиртами играют важную роль в химии углеводов.


Присоединение реактива Гриньяра (алкилмагнийгалогенида R–MgHal) с образованием спиртов
Присоединение реактива Гриньяра к альдегидам и кетонам
Реактивы Гриньяра – алкилмагнийгалогениды R–MgHal – смешанные магниевые соли галогеноводородных кислот HHal и алканов RH, получаемые при взаимодействии магния с алкилгалогенидом RHal в среде безводного эфира. Реактивы Гриньяра служат источниками карбанионов R:^–, являющихся сильными нуклеофилами и основаниями.
• Присоединение R-MgHal к формальдегиду приводит к образованию первичных спиртов:

• Из альдегидов получаются вторичные спирты:

• В реакции с кетонами образуются третичные спирты:

Взаимодействие с аммиаком и его производными
Взаимодействие альдегидов и кетонов с аммиаком и его производными Аммиак NH₃ и его производные NH₂X реагируют с альдегидами и кетонами по схеме: R₂C=O + NH₂X R₂C=NH–X + H₂O
R = H, Alk, Ar;
X = H, Alk, Ar, OH, NH₂, NHC₆H₅, NHCONH₂ и т.п.
Реакция идет в две основные стадии. Сначала образуется продукт нуклеофильного присоединения, который затем вследствие неустойчивости отщепляет воду. Поэтому данный процесс в целом классифицируют как реакцию присоединения-отщепления.

Формально эта реакция выглядит как замещение атома кислорода на группу N-X.
1. При взаимодействии альдегидов и кетонов с аммиаком образуются имины:

Реакция карбонильных соединений с аммиаком может сопровождаться циклизацией продуктов присоединения. Например, взаимодействие аммиака с формальдегидом, как показал А.М. Бутлеров, приводит к образованию гексаметилентетрамина, известного как медицинский препарат уротропин:


При нагревании идет обратная реакция, поэтому уротропин часто используется как источник формальдегида. Уротропин входит в состав "сухого" горючего для применения в быту. Нитрованием гексаметилентетрамина получают мощное взрывчатое вещество гексоген.
2. В реакциях с аминами RNH₂ получают замещённые имины (основания Шиффа):
R₂C=O + R'NH₂ R₂C=N–R' + H₂O
3. Другие производные аммиака NH₂X (гидроксиламин, гидразин, фенилгидразин, семикарбазид и т.п.) в реакциях с карбонильными соединениями образуют соответствующие продукты (оксимы, гидразононы, азины, фенилгидразоны, семикарбазоны):

Присоединение гидросульфитов: Данная реакция служит для выделения альдегидов и низших гомологов ряда кетонов из смесей с другими веществами. Образующиеся гидросульфитные производные карбонильных соединений гидролизуются в кислой или щелочной среде с выделением исходного альдегида или кетона.

Катализаторы реакций присоединения по связи С=О

Кислотный катализ. Роль кислоты как катализатора состоит в превращении нейтрального карбонильного соединения в более активную частицу – карбокатион. При этом частичный положительный заряд на карбонильном атоме углерода преобразуется в полный заряд и атака этого атома даже слабым нуклеофилом осуществляется значительно легче.

Основный катализ. Основания, напротив, активизируют не карбонильное соединение, а нуклеофильный реагент, превращая его в анион:

ROH + OH^–    RO^– + H₂O Анион RO^–, являясь сильным нуклеофилом, легко взаимодействует с карбонильным углеродом, несущим частичный положительный заряд (δ+).