碳上的氮：胺的四個類別
你早已認得氨 NH3：一個氮，連著三根氫鍵、頭頂上坐著一對孤對電子，整體形如一個矮墩墩的三腳架。一個胺，不過就是把氨那些氫中的一個或多個換成碳基團而已。這一處替換就是它的全部定義，而它值得我們多停留片刻，因為氮的脾性與你剛剛花了兩個階梯研究的氧大不相同。醇裡的氧有兩對孤對電子、成兩根鍵；這裡的氮成三根鍵，卻恰好只保留「一」對孤對電子。那對孤對電子是整章的主角——正是它讓一個胺成為鹼、成為親核試劑，並成為幾乎每一種神經遞質和藥物的結合掛鉤。
胺按氮上掛著幾個碳來分類——而這裡有一個值得立刻標出的陷阱。對醇和鹵代烷，你是按「碳」來分類的：伯、仲、叔指的是帶 -OH 或 -X 的那個碳上還連著一個、兩個或三個別的碳。對胺，你的數法不一樣——你按「氮」來分類。伯胺的氮上有一個碳（R-NH2），仲胺有兩個（R2NH），叔胺有三個（R3N）。所以叔丁胺 (CH3)3C-NH2 是一個「伯」胺，儘管它那個碳是叔碳，因為它的氮只帶著一個碳基團。同樣的詞，換了另一個原子來計數。
給氮裝上第四個碳，事情就發生了質變。氮只有它那一對孤對電子可以用來成第四根鍵，所以一旦四個位置全是碳（R4N+），這個氮就帶上一份永久的正電荷，再也沒有任何孤對電子剩下。這就是一個季銨離子，它總是與一個抗衡離子一道，以季銨鹽的形式存在。失去了孤對電子，它再也不能當鹼或親核試劑——它只是一個胖胖的、帶正電、親水的陽離子。這正是為什麼你的身體用其中一種（乙醯膽鹼）作為神經信號，也是為什麼織物柔順劑和許多消毒劑都是「季銨鹽」：那份永久電荷讓它們無論 pH 如何都溶於水、且具有表面活性。
R-NH2 primary (1 C on N) lone pair: yes
R2NH secondary (2 C on N) lone pair: yes
R3N tertiary (3 C on N) lone pair: yes
R4N(+) quaternary (4 C on N) lone pair: GONE -> permanent + charge
beware: amine class counts carbons ON NITROGEN,
not carbons on the attached carbon命名，以及決定其性質的那些氫鍵
給胺命名，複用了你學過的全部IUPAC 命名法，外加一個小轉折。對簡單的胺，把氮上的烷基命名出來再綴上「-amine（胺）」：CH3NH2 是甲胺，(CH3)2NH 是二甲胺。當這個胺是更大分子上的一個取代基時，它就變成一個「胺基-（amino-）」前綴。真正有用的約定是那個斜體大寫的 N-位次標記：在 N-甲基乙胺裡，「N-」告訴你那個甲基坐落在「氮」上，而不是碳鏈上的某處。那個小小的 N 實實在在在幹活——它指明一個取代基住在哪裡，而對胺來說，這恰恰就是全部的問題所在。
現在說物理性質，它們直接從一個事實裡掉出來：N-H 鍵能形成氫鍵，正如醇裡的 O-H 鍵那樣。伯胺和仲胺有 N-H 鍵，所以它們彼此之間形成氫鍵，沸點遠高於尺寸相近的烷烴。但氮的電負性比氧小，所以 N-H...N 氫鍵比醇的 O-H...O 氫鍵更弱——這意味著一個胺的沸點比同樣大小的醇「更低」，恰好落在烷烴與醇之間。叔胺 R3N 根本沒有 N-H，所以它們彼此之間無法「給出」氫鍵，沸點於是再次下降，更靠近烷烴。規律很簡單：有幾根 N-H 鍵可以拿去給別人？
胺為什麼是鹼：孤對電子接住一個質子
這裡是氮化學的核心。把一個胺湊近一種酸，氮的孤對電子便伸出去抓住一個質子，形成一個銨離子：R-NH2 + H+ 給出 R-NH3+。用布朗斯特-勞里的話說，胺是鹼，質子是它的獵物。這與讓一個胺對碳充當親核試劑的，是「同一」對孤對電子——鹼進攻一個質子，親核試劑進攻一個碳，但去進攻的那對電子是同一對。胺之所以是最重要的有機鹼，恰恰因為那對孤對電子相當可用，而生成的 N-H 鍵又相當結實。
要比較胺的強弱，你「不」需要一把新標尺——你複用酸鹼那一階梯裡的pKa視角，外加一個要小心保持的習慣。我們用一種鹼的「共軛酸」——也就是銨離子 R-NH3+——的 pKa 來給這種鹼排序。這樣讀：弱酸意味著它死死攥住自己的質子，也就意味著它的共軛鹼急切地去抓質子——所以共軛酸 pKa「越高」，鹼就「越強」。一個典型的烷基銨離子 pKa 在 10-11 左右，所以簡單的胺是好用、有用的鹼。這套「看共軛酸的 pKa」的習慣，是比較胺最可靠的唯一辦法，值得慢慢唸一遍：共軛酸 pKa 越大，等於這個胺鹼越強。
什麼讓一種鹼更強：孤對電子的可用程度
有一個觀念組織起全部的胺鹼性：當一種鹼的孤對電子「可用」——自由、富電子、易於給出——它就強；當那對孤對電子被佔住，它就弱。下面每一個因素，都不過是讓孤對電子或多或少更可用的一種方式而已。先從烷基說起。把一根 N-H 換成一個烷基，會通過誘導效應向氮輸送電子密度，並幫助把生成的銨離子的正電荷分散開來，所以從氨到伯胺再到仲胺，鹼性往往隨之上升。那對孤對電子被向外推、變得更富、更易於奉獻出去。
不過要誠實面對它的侷限：這條趨勢是凌亂的，並不是一道整齊的階梯。你也許會以為叔胺該是其中最強的，但在「水裡」它們往往並非如此——一旦氮被三個烷基擠得滿滿當當，它將要形成的那個銨離子就只剩更少的 N-H 鍵可供水來形成氫鍵、加以穩定，於是溶劑化作用反過來與誘導增益較勁。在水中的結果是一團混亂，仲胺常常反超叔胺。這裡的教訓是有用、成熟的那一種：真實的鹼性是給電子與溶劑化之間的一場拉鋸戰，而「烷基越多越鹼」是一條有真實例外的經驗法則，不是定律。
雜化是更乾淨、更有力的槓桿。一對孤對電子去抓質子的急切程度，取決於裝著它的軌道。在一個普通的胺裡，孤對電子待在一個 sp3 軌道裡（約 25% 的 s 成分）；在吡啶裡氮是 sp2（約 33% 的 s 成分）；在一個腈 R-C≡N 裡，孤對電子待在一個 sp 軌道裡（50% 的 s 成分）。s 成分越多，意味著電子住在一個更緊貼原子核、能量更低的軌道裡——握得更近，它們就越不願意被給予一個質子。所以鹼性按 sp3 胺 > sp2 吡啶 > sp 腈 的順序下降，是一道乾淨的三級滑梯，每級大約相差四個 pKa 單位。這就是為什麼一個腈儘管有孤對電子，卻基本上完全不顯鹼性。
當孤對電子被偷走：苯胺、吡咯與醯胺
削弱一種鹼最戲劇性的方式，是讓共振把孤對電子借進相鄰的 pi 體系裡，使它不再完全可用於接質子。最有名的案例是苯胺——一個 -NH2 直接連在一個苯環上。苯胺「是」鹼，但它比一個普通烷基胺弱了一千倍（共軛酸 pKa 約 4.6，對比約 10.6）。原因純粹在於可用性：在苯胺裡，氮的孤對電子離域進了環中，鋪展在鄰位和對位的碳上，一部分託付給了芳香 pi 雲，只有一部分還坐在氮上。一對正忙著與環共享的孤對電子，就是一對更不自由去抓質子的孤對電子。
芳香性本身能把一對孤對電子鎖得更徹底，而比較兩個環就把這一點講得活靈活現。在吡啶裡，氮的孤對電子待在一個朝「外」指、躺在環平面內的 sp2 軌道裡，絲毫不被芳香體系觸及——所以它保持自由，吡啶是一種貨真價實（雖不算強）的鹼。在吡咯裡則恰好相反：氮的孤對電子正是那讓環具有芳香性的六個 pi 電子之一（4n+2，n=1）。把那對孤對電子給一個質子，你就會摧毀芳香性——代價太過高昂——所以吡咯基本上完全不顯鹼性。同樣的原子、同樣的元素；它的孤對電子是在芳香 pi 體系「之內」還是指向體系「之外」，造成了全部的差別。
最後，是那個讓所有人都吃驚的案例：醯胺。醯胺看起來就像個胺——那裡明明有一個帶孤對電子的氮——然而一個醯胺幾乎完全不顯鹼性（它的氮作為鹼，大約比烷基胺弱了十億倍）。原因還是那套共振邏輯，只是更強：醯胺的氮緊挨著一個羰基，它的孤對電子被大量離域到羰基的氧上——那個電負性更強、更歡迎電子的歸宿。這種離域如此有利，以至於它賦予 C-N 鍵真實的雙鍵性質（這恰恰是為什麼蛋白質的肽鍵是平整而僵硬的）。那對孤對電子基本上已經花在氧上，所以它對質子是不可用的——而質子化（如果真的發生的話）也發生在氧上，而非氮上。醯胺是整章最清晰的一課：一對你看得見的孤對電子，與一對你用得上的孤對電子，不是一回事。
這為何重要：生物鹼與藥物的形貌
退一步看，回報極其巨大。幾乎你能叫出名字的每一種植物「藥」都是一種生物鹼——一種天然存在、含氮、顯鹼性的化合物——而這個詞本身就意味著「似鹼」，是對你剛剛剖析過的那份鹼性的致意。咖啡因、尼古丁、嗎啡、奎寧、古柯鹼、阿托品：全是胺，全是鹼，它們之所以能攥住你的神經系統，全靠那個鹼性氮——它在體液 pH 下有一部分被質子化成陽離子。你自己的許多神經遞質——多巴胺、血清素、腎上腺素、組胺——也都是胺。那對接住質子的孤對電子，與那對嵌入受體的孤對電子，是同一對。
凡此種種，正是為什麼氮配得上它自己的一個階梯。你現在握有了結構上的詞彙——從伯到季、那套 N-位次命名、那些設定沸點的氫鍵——而更重要的是，握有了胺化學那個統領一切的問題：孤對電子有多可用？烷基和 sp3 雜化讓它更富；sp2 與 sp 雜化、向環中的共軛（苯胺）、併入芳香六電子體系（吡咯），尤其是向羰基的離域（醯胺），讓它更窮。把這一個視角帶著往前走。接下來的幾篇會去「製造」胺——怎樣合成它們，以及那把胺變成給世界上色的染料的、精彩的重氮鹽化學——而那些反應中的每一個，都從這同一對孤對電子決定出手開始。