Написанный с критическим анализом всего виденного и слышанного этот отчет представлял собой особого рода научный труд. Например, из него хорошо видно, что в Париже в лаборатории профессора А. Вюрца Бутлеров тщательно изучал действие алкоголита натрия на йод и на йодоформ. Указанная реакция изучалась химиками и до Бутлерова, но он первый, умело изменяя условия реакции, сумел получить йодистый метилен – соединение, с плотностью 3.32, которое скоро нашло широкое практическое применение у минералогов. Что же касается йодистого метилена, то в искусных руках Бутлерова он стал исходным продуктом для синтеза многих органических соединений.
«Естественность, – писал он, – необходимость теоретических выводов, вытекающих из фактического развития науки, объясняют и то обстоятельство, что все воззрения, встреченные мною в Западной Европе, представляли для меня мало нового. Откинув неуместную здесь ложную скромность, я должен заметить, что эти воззрения и выводы в последние годы более или менее уже усвоились в казанской лаборатории, не рассчитывавшей на оригинальность; они сделались в ней общим ходячим достоянием и частью введены были в преподавание. Едва ли я ошибусь, если предскажу в недалеком будущем слияние спорных воззрений и освобождение их от своеобразных костюмов, в которые они пока еще одеты и которые нередко закрывают внутреннее содержание, их действительный смысл».
Реорганизовав химическую лабораторию казанского университета, Бутлеров в течение нескольких лет выполнил ряд важнейших экспериментальных исследований.
В 1859 году, например, при действии на йодистый метилен уксуснокислым серебром, он получил уксусный эфир метиленгликола, а при омылении эфира вместо ожидаемого метиленгликола – полимер формальдегида, которому дал название – диоксиметилен. Это вещество, оказавшееся смесью полимеров, послужило для Бутлерова продуктом для других, еще более блестящих опытов синтеза.
Так, в 1860 году, при действии на диоксиметилен аммиаком, он получил сложное азотосодержащее соединение, так называемый гексаметилентетрамин. Полученное вещество под названием уротропин нашло обширное применение в медицине и в химической промышленности.
В 1861 году Бутлеров сделал не менее замечательное открытие: при действии известкового раствора на диоксиметилен он впервые в истории химии получил путем синтеза сахаристое вещество. Этим Бутлеров как бы завершил ряд классических исследований своих современников:
в 1826 году Велер синтезировал щавелевую кислоту, в 1828 году – мочевину,
Кольбе в 1848 году синтезировал уксусную кислоту,
Бертело в 1854 году – жиры, и
Бутлеров в 1861 году – сахаристое вещество.
Эти эксперименты помогли Бутлерову оформить идеи и предположения, над которыми он работал в те годы, в стройную теорию. Веря в реальность атомов, он пришел к твердому убеждению, что ученые получили, наконец, возможность выражать конкретными формулами строение молекул самых сложных органических соединений.
19 сентября 1861 года на XXXVI собрании немецких естествоиспытателей и врачей в немецком городе Шпейере, в присутствии видных химиков, Бутлеров прочел знаменитый доклад – «О химическом строении веществ».
Доклад Бутлерова начинался с заявления, что теоретическая сторона химии давно не соответствует ее фактическому развитию, а теория типов, принятая большинством ученых, явно недостаточна для объяснения многих химических процессов. Он утверждал, что свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но также еще и от пространственного расположения атомов в молекулах. «Химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением». Оценивая значение теорий, бытовавших в то время в химии, Бутлеров уверенно заявил, что всякая истинная научная теория должна вытекать из фактов, которые она призвана объяснить.
Доклад Бутлерова был принят немецкими химиками холодно. Только доктор Гейнц да молодой приват-доцент Эрленмейер отнеслись к докладу Бутлерова понимающе. Но это Бутлерова нисколько не смутило. Ближайшим результатом его работ стал синтез триметилкарбинола, первого представителя класса третичных спиртов, а за ним последовал ряд экспериментов, позволивших подробно выяснить весь механизм реакции получения третичных спиртов.
Опираясь на полученные данные, Бутлеров развил разработанную им теорию химического строения, одновременно подвергнув критике ошибки, допущенные в близких по подходу работах известных химиков Кекуле, Кольбе, Эрленмейера. «С мнением Кекуле, – писал он, – что положение атомов в пространстве нельзя представить на плоскости бумаги, едва ли можно согласиться. Ведь выражается же положение точек в пространстве математическими формулами и следует, конечно, надеяться, что законы, которые управляют образованием и существованием химических соединений, найдут когда-нибудь свое математическое выражение».
В 1867 году, изучая свойства и химические реакции триметилкарбинола, Бутлеров впервые получил йодгидрин триметилкарбинола, а при восстановлении последнего – неизвестный углеводород, названный им изобутаном. Этот углеводород резко отличался от ранее известного химикам углеводорода того же состава, так называемого диэтила (нормального бутана): в то время как нормальный бутан имел точку кипения плюс один градус, изобутан кипел уже при температуре минус семнадцать.
Экспериментальное получение соединений, предсказанных на основе теории химического строения, разработанной Бутлеровым, имело решающее значение для ее утверждения.
В 1867 году, закончив работу над учебником «Введение к полному изучению органической химии», Бутлеров в третий и в последний раз выехал за границу. Необходимость такой поездки назрела: некоторые иностранные химики, прежде не признавшие теорию Бутлерова, теперь начали кое-что из его открытий приписывать себе. А некоторые вообще свели его роль к тому, что Бутлеров якобы просто дал новое название уже разработанной другими теории.
«В мои намерения, конечно, не входит доказывать свои притязания цитатами, – писал Бутлеров в ответ на обвинения химика Л. Майера – друга Кекуле, претендовавшего на приоритет выдвинутых Бутлеровым идей, – однако, если сравнить (в хронологическом порядке) мои работы, вышедшие с 1861 года, с работами других химиков, то придется признать, что эти притязания не необоснованы. Я даже позволю себе думать, что для меня доказать их справедливость будет значительно легче, чем отстоять свою точку зрения тому, кто захотел бы, подобно господину Л. Мейеру, утверждать, что мое участие в проведении нового принципа ограничивается присвоением ему названия принципа „химического строения“ и применением известного способа написания формул…»
«Кекуле, – поддерживал Бутлерова Марковников, – а в особенности Купер, действительно дали первое объяснение атомности углерода и накопления его в сложных частицах. Но от этого еще далеко до теории, обнимающей не только углеродистые вещества, но все вообще химические соединения, и мы действительно уже видели, что сам Кекуле придавал первоначально своим соображениям лишь второстепенное значение. Заслуга Бутлерова в том-то и состоит, что он понял истинное значение этой гипотезы и развил ее в стройную систему».
«То, что Бутлеров ввел здесь, – еще более определенно указывал финский химик Э. Гьельт в своей капитальной „Истории органической химии“, – не является просто новым термином. Понятие о химической структуре совпадает в основном с понятием Кекуле о сцеплении атомов и согласуется со взглядами Купера по этому вопросу. Основы этого понятия были даны этими двумя исследователями, однако истинное содержание и границы его не были достаточно ясно высказаны, и, возможно, что, именно вследствие этого, оно было неправильно понято. Благодаря Бутлерову стало ясным, что химическая структура, с одной стороны, является чем-то совершенно иным, т. е. не является только выражением отношений аналогий и превращения. С другой стороны, структура ничего не говорит о механическом расположении атомов в молекуле, т. е. не является тем, что Жерар, а также Кекуле (вначале), понимали под „строением молекулы“, именно „истинным расположением их атомов“. Напротив, она означает только существующую, но для каждого вещества определенную химическую связь атомов в молекуле».
Несмотря на эту поддержку, Бутлеров в Россию вернулся разочарованный.
«Нам, чужестранцам, – с горечью писал он, – особенно ярко бросается в глаза одна черта немецких съездов, – черта настолько странная, что я не могу умолчать о ней; это стремление к выражению своей национальности при каждом удобном случае. И нет сомнения, что эта гипертрофия национального чувства не мало вредит германцам: она заставляет их недостаточно признавать каждую чужую народность».
