碳上的氮：胺的四个类别
你早已认得氨 NH3：一个氮，连着三根氢键、头顶上坐着一对孤对电子，整体形如一个矮墩墩的三脚架。一个胺，不过就是把氨那些氢中的一个或多个换成碳基团而已。这一处替换就是它的全部定义，而它值得我们多停留片刻，因为氮的脾性与你刚刚花了两个阶梯研究的氧大不相同。醇里的氧有两对孤对电子、成两根键；这里的氮成三根键，却恰好只保留“一”对孤对电子。那对孤对电子是整章的主角——正是它让一个胺成为碱、成为亲核试剂，并成为几乎每一种神经递质和药物的结合挂钩。
胺按氮上挂着几个碳来分类——而这里有一个值得立刻标出的陷阱。对醇和卤代烷，你是按“碳”来分类的：伯、仲、叔指的是带 -OH 或 -X 的那个碳上还连着一个、两个或三个别的碳。对胺，你的数法不一样——你按“氮”来分类。伯胺的氮上有一个碳（R-NH2），仲胺有两个（R2NH），叔胺有三个（R3N）。所以叔丁胺 (CH3)3C-NH2 是一个“伯”胺，尽管它那个碳是叔碳，因为它的氮只带着一个碳基团。同样的词，换了另一个原子来计数。
给氮装上第四个碳，事情就发生了质变。氮只有它那一对孤对电子可以用来成第四根键，所以一旦四个位置全是碳（R4N+），这个氮就带上一份永久的正电荷，再也没有任何孤对电子剩下。这就是一个季铵离子，它总是与一个抗衡离子一道，以季铵盐的形式存在。失去了孤对电子，它再也不能当碱或亲核试剂——它只是一个胖胖的、带正电、亲水的阳离子。这正是为什么你的身体用其中一种（乙酰胆碱）作为神经信号，也是为什么织物柔顺剂和许多消毒剂都是“季铵盐”：那份永久电荷让它们无论 pH 如何都溶于水、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，以及决定其性质的那些氢键
给胺命名，复用了你学过的全部IUPAC 命名法，外加一个小转折。对简单的胺，把氮上的烷基命名出来再缀上“-amine（胺）”：CH3NH2 是甲胺，(CH3)2NH 是二甲胺。当这个胺是更大分子上的一个取代基时，它就变成一个“氨基-（amino-）”前缀。真正有用的约定是那个斜体大写的 N-位次标记：在 N-甲基乙胺里，“N-”告诉你那个甲基坐落在“氮”上，而不是碳链上的某处。那个小小的 N 实实在在在干活——它指明一个取代基住在哪里，而对胺来说，这恰恰就是全部的问题所在。
现在说物理性质，它们直接从一个事实里掉出来：N-H 键能形成氢键，正如醇里的 O-H 键那样。伯胺和仲胺有 N-H 键，所以它们彼此之间形成氢键，沸点远高于尺寸相近的烷烃。但氮的电负性比氧小，所以 N-H...N 氢键比醇的 O-H...O 氢键更弱——这意味着一个胺的沸点比同样大小的醇“更低”，恰好落在烷烃与醇之间。叔胺 R3N 根本没有 N-H，所以它们彼此之间无法“给出”氢键，沸点于是再次下降，更靠近烷烃。规律很简单：有几根 N-H 键可以拿去给别人？
胺为什么是碱：孤对电子接住一个质子
这里是氮化学的核心。把一个胺凑近一种酸，氮的孤对电子便伸出去抓住一个质子，形成一个铵离子：R-NH2 + H+ 给出 R-NH3+。用布朗斯特-劳里的话说，胺是碱，质子是它的猎物。这与让一个胺对碳充当亲核试剂的，是“同一”对孤对电子——碱进攻一个质子，亲核试剂进攻一个碳，但去进攻的那对电子是同一对。胺之所以是最重要的有机碱，恰恰因为那对孤对电子相当可用，而生成的 N-H 键又相当结实。
要比较胺的强弱，你“不”需要一把新标尺——你复用酸碱那一阶梯里的pKa视角，外加一个要小心保持的习惯。我们用一种碱的“共轭酸”——也就是铵离子 R-NH3+——的 pKa 来给这种碱排序。这样读：弱酸意味着它死死攥住自己的质子，也就意味着它的共轭碱急切地去抓质子——所以共轭酸 pKa “越高”，碱就“越强”。一个典型的烷基铵离子 pKa 在 10-11 左右，所以简单的胺是好用、有用的碱。这套“看共轭酸的 pKa”的习惯，是比较胺最可靠的唯一办法，值得慢慢念一遍：共轭酸 pKa 越大，等于这个胺碱越强。
什么让一种碱更强：孤对电子的可用程度
有一个观念组织起全部的胺碱性：当一种碱的孤对电子“可用”——自由、富电子、易于给出——它就强；当那对孤对电子被占住，它就弱。下面每一个因素，都不过是让孤对电子或多或少更可用的一种方式而已。先从烷基说起。把一根 N-H 换成一个烷基，会通过诱导效应向氮输送电子密度，并帮助把生成的铵离子的正电荷分散开来，所以从氨到伯胺再到仲胺，碱性往往随之上升。那对孤对电子被向外推、变得更富、更易于奉献出去。
不过要诚实面对它的局限：这条趋势是凌乱的，并不是一道整齐的阶梯。你也许会以为叔胺该是其中最强的，但在“水里”它们往往并非如此——一旦氮被三个烷基挤得满满当当，它将要形成的那个铵离子就只剩更少的 N-H 键可供水来形成氢键、加以稳定，于是溶剂化作用反过来与诱导增益较劲。在水中的结果是一团混乱，仲胺常常反超叔胺。这里的教训是有用、成熟的那一种：真实的碱性是给电子与溶剂化之间的一场拉锯战，而“烷基越多越碱”是一条有真实例外的经验法则，不是定律。
杂化是更干净、更有力的杠杆。一对孤对电子去抓质子的急切程度，取决于装着它的轨道。在一个普通的胺里，孤对电子待在一个 sp3 轨道里（约 25% 的 s 成分）；在吡啶里氮是 sp2（约 33% 的 s 成分）；在一个腈 R-C≡N 里，孤对电子待在一个 sp 轨道里（50% 的 s 成分）。s 成分越多，意味着电子住在一个更紧贴原子核、能量更低的轨道里——握得更近，它们就越不愿意被给予一个质子。所以碱性按 sp3 胺 > sp2 吡啶 > sp 腈 的顺序下降，是一道干净的三级滑梯，每级大约相差四个 pKa 单位。这就是为什么一个腈尽管有孤对电子，却基本上完全不显碱性。
当孤对电子被偷走：苯胺、吡咯与酰胺
削弱一种碱最戏剧性的方式，是让共振把孤对电子借进相邻的 pi 体系里，使它不再完全可用于接质子。最有名的案例是苯胺——一个 -NH2 直接连在一个苯环上。苯胺“是”碱，但它比一个普通烷基胺弱了一千倍（共轭酸 pKa 约 4.6，对比约 10.6）。原因纯粹在于可用性：在苯胺里，氮的孤对电子离域进了环中，铺展在邻位和对位的碳上，一部分托付给了芳香 pi 云，只有一部分还坐在氮上。一对正忙着与环共享的孤对电子，就是一对更不自由去抓质子的孤对电子。
芳香性本身能把一对孤对电子锁得更彻底，而比较两个环就把这一点讲得活灵活现。在吡啶里，氮的孤对电子待在一个朝“外”指、躺在环平面内的 sp2 轨道里，丝毫不被芳香体系触及——所以它保持自由，吡啶是一种货真价实（虽不算强）的碱。在吡咯里则恰好相反：氮的孤对电子正是那让环具有芳香性的六个 pi 电子之一（4n+2，n=1）。把那对孤对电子给一个质子，你就会摧毁芳香性——代价太过高昂——所以吡咯基本上完全不显碱性。同样的原子、同样的元素；它的孤对电子是在芳香 pi 体系“之内”还是指向体系“之外”，造成了全部的差别。
最后，是那个让所有人都吃惊的案例：酰胺。酰胺看起来就像个胺——那里明明有一个带孤对电子的氮——然而一个酰胺几乎完全不显碱性（它的氮作为碱，大约比烷基胺弱了十亿倍）。原因还是那套共振逻辑，只是更强：酰胺的氮紧挨着一个羰基，它的孤对电子被大量离域到羰基的氧上——那个电负性更强、更欢迎电子的归宿。这种离域如此有利，以至于它赋予 C-N 键真实的双键性质（这恰恰是为什么蛋白质的肽键是平整而僵硬的）。那对孤对电子基本上已经花在氧上，所以它对质子是不可用的——而质子化（如果真的发生的话）也发生在氧上，而非氮上。酰胺是整章最清晰的一课：一对你看得见的孤对电子，与一对你用得上的孤对电子，不是一回事。
这为何重要：生物碱与药物的形貌
退一步看，回报极其巨大。几乎你能叫出名字的每一种植物“药”都是一种生物碱——一种天然存在、含氮、显碱性的化合物——而这个词本身就意味着“似碱”，是对你刚刚剖析过的那份碱性的致意。咖啡因、尼古丁、吗啡、奎宁、可卡因、阿托品：全是胺，全是碱，它们之所以能攥住你的神经系统，全靠那个碱性氮——它在体液 pH 下有一部分被质子化成阳离子。你自己的许多神经递质——多巴胺、血清素、肾上腺素、组胺——也都是胺。那对接住质子的孤对电子，与那对嵌入受体的孤对电子，是同一对。
凡此种种，正是为什么氮配得上它自己的一个阶梯。你现在握有了结构上的词汇——从伯到季、那套 N-位次命名、那些设定沸点的氢键——而更重要的是，握有了胺化学那个统领一切的问题：孤对电子有多可用？烷基和 sp3 杂化让它更富；sp2 与 sp 杂化、向环中的共轭（苯胺）、并入芳香六电子体系（吡咯），尤其是向羰基的离域（酰胺），让它更穷。把这一个视角带着往前走。接下来的几篇会去“制造”胺——怎样合成它们，以及那把胺变成给世界上色的染料的、精彩的重氮盐化学——而那些反应中的每一个，都从这同一对孤对电子决定出手开始。