四面体型中間体
カルボニル基への求核攻撃はビュルギ・ダニッツ軌跡(英語版)を通って進行する。求核剤の電子軌道とC-O結合の軌道のなす角度は90 ̊より大きい。この角度で、求核剤のHOMO(最高被占軌道)とC-O二重結合のπ*LUMO(最低空軌道)がもっとも軌道の重なりが大きくなる。
四面体型中間体が分解する際は、より弱い塩基が容易に脱離する。強塩基が結合したカルボニル化合物に弱塩基が近づいてきて四面体型中間体が生成しても、より優れた脱離基である弱塩基(あとから入ってきたほう)が先に抜けてしまうので、反応は進行しない。脱離基が弱塩基であるときは系の自由エネルギーが小さく、強塩基であるときは大きい。反応は自由エネルギーが小さくなる方向に進む。
カルボニル炭素に電気的に陰性でない基(脱離すると強塩基となる基)が結合している場合、四面体型中間体は安定である。この場合、求核剤が近づくと不可逆的な求核付加反応がおこる。
エステルの加水分解では途中で四面体型中間体が生成するが、素反応のうち四面体型中間体ができる反応が律速段階(最も遅い反応)、四面体型中間体から塩基が脱離する反応が2番目に遅い反応になっている。エステル加水分解で用いられる酸触媒(英語版)は、カルボニル酸素をプロトン化することでプロトン化されていないカルボニル酸素よりも求核付加を受けやすくし、四面体型中間体の生成速度を増大させる。また四面体型中間体からアルコールが抜ける際、酸触媒によって脱離基の塩基性が弱められるので、この反応の反応速度も大きくなる。
エステルの加水分解は、四面体型中間体の生成と分解という二つの段階に大きく分けることができる。