Kādi ir ķīmiskās struktūras teorijas nosacījumi. A.M. Butlerova organisko savienojumu ķīmiskās struktūras teorijas pamatprincipi

Vispārīgākajā un sistemātiskākajā formā ķīmiskās struktūras teoriju (saīsināti TCS) pirmo reizi formulēja krievu ķīmiķis A. M. Butlerovs 1861. gadā, un pēc tam to izstrādāja un papildināja viņš un viņa studenti un sekotāji (galvenokārt V. V. Markovņikovs, A. M. Zaicevs). un citi), kā arī daudzi ārzemju ķīmiķi (Y. G. Van't Hoff, J. A. Le Bel u.c.).

Apskatīsim galvenos klasiskās TKS noteikumus un komentēsim tos no mūsdienu strukturālās ķīmijas viedokļa.

1. Katrs molekulas atoms spēj izveidot noteiktu skaitu ķīmisko saišu ar citiem atomiem.

Jau 19. gadsimta pirmajā pusē. Ķīmijā veidojās priekšstati par atomu spēju savienoties savā starpā noteiktās attiecībās. Pēc Butlerova domām, katram atomam “ir iedzimts noteikts spēks, kas rada ķīmiskās parādības(afinitāte). Ķīmiskā kombinācijā daļa no šī spēka vai visa tā tiek patērēta. Tādējādi tika uzsvērtas divas starpatomu ķīmiskās mijiedarbības pazīmes: a) diskrētums - visa atomam raksturīgā afinitāte bija jāsastāv no atsevišķām daļām vai, pēc Butlerova domām, "atsevišķām ķīmiskā spēka vienībām", ko skaidri izteica valences sitienu simbolika (piemēram, H-O-H, H-C≡N utt.), kur katrs gājiens raksturo vienu ķīmisko saiti; b) piesātinājums - atoma veidoto ķīmisko saišu skaits ir ierobežots, kā dēļ pastāv, piemēram, tādas neitrālas dažādas stabilitātes molekulārās sistēmas kā CH, CH2, CH3, CH4, bet nav molekulu CH5, CH6, utt.

Kvantitatīvais mērs atoma spējai veidot ķīmiskās saites ir tā valence. Veidošanās 1850. gados Valences un ķīmiskās saites jēdzieni kalpoja par svarīgāko priekšnoteikumu TCS izveidei. Tomēr līdz 20. gadsimta sākumam. fiziskā nozīme valences insults, un tāpēc ķīmiskās saites un valences raksturs palika neskaidrs, kas dažkārt noveda pie paradoksiem. Tā, pētot nepiesātināto ogļūdeņražu īpašības, Butlerovs 1870. gadā pieņēma vācu ķīmiķa E. Erlenmeijera domu par vairāku saišu esamību tajos. Tikmēr palika neskaidrs, kāpēc daudzkārtējā saite izrādījās mazāk spēcīga (tiek pakļauta pievienošanās reakcijām) nekā vienvietīgā saite (nav iesaistīta šajās reakcijās). Bija arī citi pierādījumi, ka dažas vai visas molekulas ķīmiskās saites nebija vienādas.

Izveidojot kvantu ķīmiju, kļuva skaidrs, ka katra valences līnija, kā likums, ir saistīta ar divu centru, divu elektronu saiti un ka ķīmiskās saites var atšķirties pēc enerģijas, garuma, polaritātes, polarizējamības, telpiskā virziena, daudzveidības. uc (sk. Ķīmiskā saite) .

Ķīmiskās saites jēdziens ietver molekulas atomu sadalīšanu ķīmiski saistītos un ķīmiski nesaistītos (skatīt attēlu), no kā izriet TCS otrā pozīcija.

H/O\H Ķīmiski saistīti atomi

Ķīmiski nesaistīti atomi

2. Atomi molekulā ir saistīti viens ar otru noteiktā secībā, atbilstoši to valencei. Butlerovs sauca par ķīmisko struktūru "ķīmiskās mijiedarbības kārtību" vai, citiem vārdiem sakot, "savstarpējās ķīmiskās saites metodi" molekulā. Rezultātā ķīmiskā struktūra, kas skaidri izteikta ar strukturālo formulu (dažreiz saukta arī par grafisko, un in pēdējie gadi- topoloģiskā), parāda, kuri atomu pāri ir ķīmiski saistīti viens ar otru un kuri nav, t.i., ķīmiskā struktūra raksturo molekulas topoloģiju (sk. Molekula). Tajā pašā laikā Butlerovs īpaši uzsvēra, ka katram savienojumam ir tikai viena ķīmiskā struktūra un līdz ar to tikai viena strukturālā (grafiskā) formula.

Apsvērtā TCS pozīcija šodien vispār ir spēkā. Tomēr, pirmkārt, molekulāro struktūru ne vienmēr var atspoguļot ar vienu klasisku strukturālo formulu (sk. Benzols), otrkārt, necietās molekulās atomu saišu secība var spontāni mainīties diezgan ātri (sk. Molekula), un, treškārt, mūsdienu ķīmija atklāja plašu molekulu klāstu ar “neparastām” struktūrām (teiksim, dažos karborānos oglekļa atoms ir saistīts ar pieciem blakus esošajiem atomiem).

3. Fiziskā un Ķīmiskās īpašības savienojumi tiek definēti kā tā kvalitāte un kvantitatīvais sastāvs, un ķīmiskā struktūra, kā arī saišu raksturs starp atomiem.

Šis noteikums ir galvenais TCS. Tieši viņa apgalvojumi ķīmijā bija Butlerova galvenais zinātniskais nopelns. No šīs pozīcijas izriet vairākas svarīgas sekas: izomērijas skaidrojums ar izomēru ķīmiskās struktūras atšķirību, ideja par atomu savstarpējo ietekmi molekulā, kā arī struktūrformulu nozīme un nozīme. molekulu skaits tiek atklāts.

1874. gadā TCS tika bagātināts ar stereoķīmiskiem jēdzieniem (skat. Stereoķīmija), kuru ietvaros bija iespējams izskaidrot optiskās, ģeometriskās un konformācijas izomērijas parādības (sk. Izomērija).

Mūsdienu ķīmijā jēdzienu “molekulārā struktūra” saprot trīs veidos: a) kā ķīmisku struktūru (t.i., molekulas topoloģiju b) kā telpisku struktūru, kas raksturo kodolu atrašanās vietu un kustību telpā c; ) kā elektroniska struktūra (sk. Molekula, Ķīmiskā saite).

Līdz ar to TCS galveno pozīciju no mūsdienu viedokļa var attēlot šādi: savienojumu fizikālās un ķīmiskās īpašības nosaka to kvantitatīvais un kvalitatīvais elementu sastāvs, kā arī ķīmiskais (topoloģiskais), telpiskais (kodolsastāvs). ) un to molekulu elektroniskā struktūra.

4. Ķīmisko struktūru var pētīt ar ķīmiskām metodēm, t.i., analīzi un sintēzi.

Izstrādājot šo pozīciju, Butlerovs formulēja vairākus noteikumus “ķīmiskās struktūras atpazīšanai” un plaši izmantoja tos savā eksperimentālajā darbā.

Šobrīd molekulu struktūra tiek pētīta gan ar ķīmiskām, gan fizikālām metodēm (skat. Spektrālo analīzi).

5. Molekulā iekļautajiem atomiem, gan ķīmiski saistītiem, gan nesaistītiem, ir zināma ietekme vienam uz otru, kas izpaužas gan atsevišķu atomu un molekulas saišu reaktivitātē, gan citās tās īpašībās.

TCS, tāpat kā jebkura zinātniska teorija, balstās uz noteiktiem modeļa jēdzieniem, kuriem ir noteikta pielietojamības joma un kas atspoguļo tikai noteiktus realitātes aspektus. Tātad, runājot par TCS, nevajadzētu aizmirst, ka patiesībā molekula ir viena neatņemama kodolu un elektronu sistēma, un atsevišķu atomu, funkcionālo grupu, ķīmisko saišu, vientuļo elektronu pāru uc identifikācija tajā ir tuvinājums. Bet, tiklīdz šī tuvināšana izrādījās efektīva dažādu ķīmisko problēmu risināšanā, tā kļuva plaši izplatīta. Tajā pašā laikā dabā neatņemama objekta (molekulas) teorētiskā, mentālā sadalīšana, strukturēšana liek teorijā ieviest papildu idejas, ņemot vērā to, ka izvēlētie molekulārie fragmenti (atomi, saites utt.) ir faktiski saistīti un mijiedarbojas viens ar otru. Šim nolūkam tika izveidota atomu savstarpējās ietekmes (MIA) koncepcija.

Katra molekulas atoma vai funkcionālās grupas īpašības un stāvokli nosaka ne tikai to raksturs, bet arī vide. Piemēram, OH grupas ievadīšana molekulā var radīt dažādus rezultātus:

Tāpēc, pētot dažādu aizvietotāju ietekmes raksturu un intensitāti uz molekulas īpašībām, jārīkojas šādi: ņem vērā reakciju virkni, t.i., vairākus līdzīgus savienojumus, kas atšķiras viens no otra vai nu aizvietotāja klātbūtnē, vai arī vairāku saišu izkārtojumā, piemēram: CH2=CH-CH=CH-CH3, H2C=CH-CH2-CH=CH2 utt., vai pēc kādām citām struktūras detaļām. Tajā pašā laikā viņi pēta šīs sērijas vielu spēju piedalīties līdzīgās reakcijās, piemēram, viņi pēta fenola un benzola bromēšanu. Novērotās atšķirības ir saistītas ar dažādu aizvietotāju ietekmi uz pārējo molekulu.

Kas attiecas uz organiskajiem savienojumiem, viens no tiem raksturīgās iezīmes ir aizvietotāja spēja pārnest savu ietekmi uz kovalenti saistītu atomu ķēdēm (sk. Ķīmiskā saite). Protams, aizvietotājus ietekmē arī pārējā molekula. Aizvietotāja ietekmes pārnešana uz a- un l-saitēm noved pie šo saišu izmaiņām. Ja aizvietotāju ietekme tiek pārraidīta, piedaloties a-saitēm, tad tiek uzskatīts, ka aizvietotājam ir induktīvs jeb I-efekts. Ja ķēdē ir π saites, tās arī ir polarizētas (π efekts). Turklāt, ja ķēdē ir konjugētu vairāku saišu sistēma (-C=C-C=C-) vai aizvietotājs ar vientuļo elektronu pāri daudzkārtējā saitē (CH3-O-CH=CH2) vai aromātiskā gredzenā, tad ietekmes pārnešana notiek pa π saišu sistēmu (konjugācijas efekts jeb C-efekts), kurā elektronu mākonis ir daļēji nobīdīts uz blakus esošās σ saites apgabalu. Piemēram, aizvietotāji, piemēram, -Br, -Cl, -OH, -NH2, kuriem ir vientuļi elektronu pāri, ir π-elektronu donori. Tāpēc tiek teikts, ka tiem ir + C efekts. Tajā pašā laikā tie novirza elektronu blīvumu uz sevi pa σ saitēm, t.i., tiem ir -I efekts. Attiecībā uz -Br, -Cl dominē I-efekts attiecībā uz -OH un -NH2-, gluži pretēji, dominē +C efekts. Tāpēc, teiksim, fenolā π-elektronu blīvums uz benzola gredzena ir lielāks nekā benzolā, kas atvieglo elektrofīlo aizvietošanas reakciju rašanos fenolā (salīdzinājumā ar benzolu).

Plaši tiek izmantota arī ķīmiskās struktūras teorija neorganiskā ķīmija, īpaši pēc A. Vernera koordinācijas teorijas izveidošanas 1893. gadā (sk. Koordinācijas savienojumi).

Lielākais notikums organiskās ķīmijas attīstībā bija izcilā krievu zinātnieka A.M. radītais 1961. gadā. Butlerova teorija par organisko savienojumu ķīmisko struktūru.

Pirms plkst. Butlerovs uzskatīja, ka nav iespējams zināt molekulas struktūru, tas ir, ķīmisko saišu secību starp atomiem. Daudzi zinātnieki pat noliedza atomu un molekulu realitāti.

A.M. Butlerovs šo viedokli noliedza. Viņš rīkojās no pareizā materiālistiskā un filozofiskas idejas par atomu un molekulu eksistences realitāti, par iespēju zināt atomu ķīmisko saiti molekulā. Viņš parādīja, ka molekulas struktūru var noteikt eksperimentāli, pētot vielas ķīmiskās pārvērtības. Un otrādi, zinot molekulas struktūru, var secināt par savienojuma ķīmiskajām īpašībām.

Ķīmiskās struktūras teorija izskaidro organisko savienojumu daudzveidību. Tas ir saistīts ar četrvērtīgā oglekļa spēju veidot oglekļa ķēdes un gredzenus, apvienoties ar citu elementu atomiem un izomērijas klātbūtni organisko savienojumu ķīmiskajā struktūrā. Šī teorija tika noteikta zinātniskais pamatojums organisko ķīmiju un izskaidroja tās svarīgākos likumus. Viņa teorijas pamatprincipi A.M. Butlerovs to izklāstīja savā ziņojumā “Par ķīmiskās struktūras teoriju”.

Struktūras teorijas galvenie principi ir šādi:

1) molekulās atomi ir savienoti viens ar otru noteiktā secībā atbilstoši to valencei. Atomu saiknes secību sauc par ķīmisko struktūru;

2) vielas īpašības ir atkarīgas ne tikai no tā, kādi atomi un kādā daudzumā ir iekļauti tās molekulā, bet arī no to savstarpējā savienojuma secības, t.i., no molekulas ķīmiskās struktūras;

3) atomi vai atomu grupas, kas veido molekulu, savstarpēji ietekmē viens otru.

Ķīmiskās struktūras teorijā liela uzmanība tiek pievērsta atomu un atomu grupu savstarpējai ietekmei molekulā.

Ķīmiskās formulas, kas attēlo atomu savienojuma secību molekulās, sauc par struktūrformulām vai struktūras formulām.

Ķīmiskās struktūras teorijas nozīme A.M. Butlerova:

1) ir vissvarīgākā daļa organiskās ķīmijas teorētiskie pamati;

2) pēc svarīguma to var salīdzināt ar Periodiskā tabula elementi D.I. Mendeļejevs;

3) tas ļāva sistematizēt milzīgu praktisks materiāls;

4) ļāva iepriekš paredzēt jaunu vielu esamību, kā arī norādīt veidus, kā tās iegūt.

Ķīmiskās struktūras teorija kalpo par vadmotīvu visiem organiskās ķīmijas pētījumiem.

5. Izomērisms. Īsa laika elementu atomu elektroniskā struktūra Ķīmiskā saite

Īpašības organiskās vielas ir atkarīgi ne tikai no to sastāva, bet arī no atomu savienojuma secības molekulā.

Izomēri ir vielas, kurām ir vienāds un vienāds sastāvs molārā masa, bet tiem ir atšķirīga molekulu struktūra, un tāpēc tiem ir atšķirīgas īpašības.

Ķīmiskās struktūras teorijas zinātniskā nozīme:

1) padziļina matērijas izpratni;

2) norāda ceļu uz zināšanām iekšējā struktūra molekulas;

3) ļauj saprast ķīmijā uzkrātos faktus; prognozēt jaunu vielu esamību un atrast veidus, kā tās sintezēt.

Teorija tam visam sniedza lielu ieguldījumu. tālākai attīstībai organiskā ķīmija un ķīmiskā rūpniecība.

Vācu zinātnieks A. Kekule izteica ideju savienot oglekļa atomus savā starpā ķēdē.

Mācība par atomu elektronisko uzbūvi.

Atomu elektroniskās uzbūves doktrīnas iezīmes: 1) ļāva izprast atomu ķīmiskās saites būtību; 2) noskaidrot atomu savstarpējās ietekmes būtību.

Elektronu stāvoklis atomos un elektronu apvalku struktūra.

Elektronu mākoņi ir apgabali ar vislielāko elektronu klātbūtnes iespējamību, kas atšķiras pēc formas, izmēra un virziena telpā.

Atomā ūdeņradis Viens elektrons, kustoties, veido negatīvi lādētu sfēriskas (sfēriskas) formas mākoni.

S elektroni ir elektroni, kas veido sfērisku mākoni.

Ūdeņraža atomam ir viens elektrons.

Atomā hēlijs– divi s-elektroni.

Hēlija atoma pazīmes: 1) vienādas sfēriskas formas mākoņi; 2) lielākais blīvums ir vienlīdz tālu no kodola; 3) apvienoti elektronu mākoņi; 4) veido kopīgu divu elektronu mākoni.

Litija atoma īpašības: 1) ir divi elektroniskie slāņi; 2) ir sfērisks mākonis, bet ir ievērojami lielāks par iekšējo divu elektronu mākoni; 3) otrā slāņa elektrons ir vājāk piesaistīts kodolam nekā pirmie divi; 4) viegli uztver citi atomi redoksreakcijās; 5) ir s-elektrons.

Berilija atoma pazīmes: 1) ceturtais elektrons ir s-elektrons; 2) sfēriskais mākonis ir apvienots ar trešā elektrona mākoni; 3) iekšējā slānī ir divi sapāroti s-elektroni, bet ārējā slānī - divi pārī esošie s-elektroni.

Jo vairāk elektronu mākoņu pārklājas, kad atomi savienojas, jo vairāk enerģijas izdalās un jo spēcīgāka ķīmiskā saite.

Molekulas ķīmiskā struktūra pārstāv viņas raksturīgāko un unikālāko aspektu, jo tas viņu definē vispārīgas īpašības(mehāniski, fizikāli, ķīmiski un bioķīmiski). Jebkuras izmaiņas molekulas ķīmiskajā struktūrā rada izmaiņas tās īpašībās. Ja vienā molekulā tiek ieviestas nelielas struktūras izmaiņas, seko nelielas izmaiņas tās īpašībās (parasti ietekmējot fizikālās īpašības), bet, ja molekulā ir notikušas pamatīgas struktūras izmaiņas, tad tās īpašības (īpaši ķīmiskās) tiks pamatīgi mainītas.

Piemēram, alfa-aminopropionskābei (alfa-alanīnam) ir šāda struktūra:

Ko mēs redzam:

1. noteiktu atomu klātbūtne (C, H, O, N),
2. noteikts skaits katrai klasei piederošu atomu, kas ir saistīti noteiktā secībā;

Visi šie dizaina iezīmes nosaka vairākas alfa-alanīna īpašības, piemēram: cieta agregācijas stāvoklis, viršanas temperatūra 295° C, šķīdība ūdenī, optiskā aktivitāte, aminoskābju ķīmiskās īpašības utt.

Kad aminogrupa ir saistīta ar citu oglekļa atomu (t.i., ir notikušas nelielas strukturālas izmaiņas), kas atbilst beta-alanīnam:

Vispārējās ķīmiskās īpašības joprojām ir raksturīgas aminoskābēm, bet viršanas temperatūra jau ir 200 ° C un nav optiskās aktivitātes.

Ja, piemēram, divi atomi šajā molekulā ir savienoti ar N atomu šādā secībā (dziļas struktūras izmaiņas):

tad izveidotā viela - 1-nitropropāns pēc savām fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām pilnīgi atšķiras no aminoskābēm: 1-nitropropāns ir dzeltens šķidrums, ar viršanas temperatūru 131 ° C, nešķīst ūdenī.

Tādējādi struktūras un īpašuma attiecībasļauj aprakstīt vispārīgās īpašības vielai ar zināmu struktūru un, otrādi, ļauj atrast vielas ķīmisko struktūru, zinot tās vispārīgās īpašības.

Organisko savienojumu uzbūves teorijas vispārīgie principi

Organiskā savienojuma struktūras noteikšanas būtība slēpjas šādus principus, kas izriet no saiknes starp to struktūru un īpašībām:

a) organiskām vielām analītiski tīrā veidā ir vienāds sastāvs neatkarīgi no to sagatavošanas metodes;

b) organiskām vielām analītiski tīrā stāvoklī ir nemainīgas fizikālās un ķīmiskās īpašības;

c) organiskām vielām ar nemainīgu sastāvu un īpašībām ir tikai viena unikāla struktūra.

1861. gadā lielais krievu zinātnieks A. M. Butlerovs rakstā “Par vielas ķīmisko struktūru” viņš atklāja ķīmiskās struktūras teorijas pamatideju, kas sastāv no tā, kā organiskās vielas atomi ir saistīti ar tās īpašībām. Viņš apkopoja visas tajā laikā pieejamās zināšanas un idejas par struktūru ķīmiskie savienojumi organisko savienojumu uzbūves teorijā.

A. M. Butlerova teorijas galvenie noteikumi

var apkopot šādi:

1. Organiskā savienojuma molekulā atomi ir savienoti noteiktā secībā, kas nosaka tā struktūru.
2. Oglekļa atoma valence organiskajos savienojumos ir četri.
3. Ar tādu pašu molekulas sastāvu ir iespējamas vairākas iespējas šīs molekulas atomu savienošanai savā starpā. Šādus savienojumus ar vienādu sastāvu, bet dažādas struktūras sauca par izomēriem, un līdzīgu parādību - izomēriju.
4. Zinot organiskā savienojuma uzbūvi, var paredzēt tā īpašības; Zinot organiskā savienojuma īpašības, var paredzēt tā struktūru.
5. Atomi, kas veido molekulu, ir pakļauti savstarpējai ietekmei, kas nosaka to reaktivitāti. Tieši saistītie atomi viens uz otru ietekmē lielāku ietekmi, savukārt tiešā veidā nesasaistīto atomu ietekme ir daudz vājāka.

Students A.M. Butlerova - V. V. Markovņikovs turpināja pētīt jautājumu par atomu savstarpējo ietekmi, kas tika atspoguļots 1869. gadā savā promocijas darbā “Materiāli par jautājumu par atomu savstarpējo ietekmi ķīmiskajos savienojumos”.

Kredīts A.M. Butlerovs un ķīmiskās struktūras teorijas nozīme ir ārkārtīgi liela ķīmiskā sintēze. Ir pavērusies iespēja paredzēt organisko savienojumu pamatīpašības un paredzēt to sintēzes ceļus. Pateicoties ķīmiskās struktūras teorijai, ķīmiķi vispirms novērtēja molekulu kā sakārtotu sistēmu ar stingru saišu secību starp atomiem. Un šobrīd galvenie Butlerova teorijas noteikumi, neskatoties uz izmaiņām un precizējumiem, ir mūsdienu organiskās ķīmijas teorētisko koncepciju pamatā.

Vispirms radās XIX sākums V. radikāļu teorija (J. Gay-Lussac, F. Wöhler, J. Liebig). Radikāļi ir atomu grupas, kas mainās nemainot, kad ķīmiskās reakcijas no viena savienojuma uz otru. Šis radikāļu jēdziens ir saglabāts, taču lielākā daļa citu radikāļu teorijas noteikumu izrādījās nepareizi.

Saskaņā ar tipu teoriju (C. Džerards) visas organiskās vielas var iedalīt tipos, kas atbilst noteiktiem neorganiskās vielas. Piemēram, spirti R-OH un vienkāršie esteri R-O-R tika uzskatīti par H-OH ūdens tipa pārstāvjiem, kuros ūdeņraža atomi ir aizstāti ar radikāļiem. Tipu teorija radīja organisko vielu klasifikāciju, kuras daži principi tiek izmantoti mūsdienās.

Mūsdienu teoriju par organisko savienojumu uzbūvi radīja izcilais krievu zinātnieks A.M. Butlerovs.

1. Atomi molekulā ir sakārtoti noteiktā secībā atbilstoši to valencei. Oglekļa atoma valence organiskajos savienojumos ir četri.

2. Vielu īpašības ir atkarīgas ne tikai no tā, kādi atomi un kādos daudzumos ir iekļauti molekulā, bet arī no secības, kādā tās ir savienotas savā starpā.

3. Atomi vai atomu grupas, kas veido molekulu, savstarpēji ietekmē viens otru, kas nosaka molekulu ķīmisko aktivitāti un reaktivitāti.

4. Vielu īpašību izpēte ļauj noteikt to ķīmisko struktūru.

Kaimiņos esošo atomu savstarpējā ietekme molekulās ir vissvarīgākā organisko savienojumu īpašība. Šī ietekme tiek pārraidīta vai nu caur vienkāršu savienojumu ķēdi, vai caur konjugētu (mainīgu) vienkāršu un dubultās saites.

Organisko savienojumu klasifikācija ir balstīta uz divu molekulu struktūras aspektu – oglekļa skeleta struktūras un funkcionālo grupu klātbūtnes – analīzi.

Aleksandrs Mihailovičs Butlerovs dzimis 1828. gada 3. (15.) septembrī Kazaņas guberņas Čistopoles pilsētā zemes īpašnieka, atvaļināta virsnieka ģimenē. Pirmo izglītību viņš ieguva privātā internātskolā, pēc tam mācījās ģimnāzijā un Kazaņas Imperiālajā universitātē. Viņš pasniedza no 1849. gada un 1857. gadā kļuva par parasto ķīmijas profesoru tajā pašā universitātē. Viņš divas reizes bija tās rektors. 1851. gadā viņš aizstāvēja maģistra darbu “Par organisko savienojumu oksidēšanu”, bet 1854. gadā Maskavas Universitātē aizstāvēja doktora darbu “Par ēteriskās eļļas" Kopš 1868. gada viņš bija parasts ķīmijas profesors Sanktpēterburgas Universitātē, bet kopš 1874. gada - parasts Sanktpēterburgas Zinātņu akadēmijas akadēmiķis. Papildus ķīmijai Butlerovs pievērsa uzmanību praktiskiem jautājumiem Lauksaimniecība, dārzkopība, biškopība un viņa vadībā Kaukāzā sākās tējas audzēšana. Viņš nomira Kazaņas guberņas Butlerovkas ciemā 1886. gada 5. (17.) augustā.

Pirms Butlerova tika veikts ievērojams skaits mēģinājumu izveidot doktrīnu par organisko savienojumu ķīmisko struktūru. Šo jautājumu vairākkārt pievērsās tā laika izcilākie ķīmiķi, kuru darbu krievu zinātnieks daļēji izmantoja savai struktūras teorijai. Piemēram, vācu ķīmiķis Augusts Kekule secināja, ka ogleklis var veidot četras saites ar citiem atomiem. Turklāt viņš uzskatīja, ka vienam un tam pašam savienojumam var pastāvēt vairākas formulas, taču viņš vienmēr piebilda, ka atkarībā no ķīmiskās transformācijas šī formula var atšķirties. Kekule uzskatīja, ka formulas neatspoguļo secību, kādā molekulā ir savienoti atomi. Cits ievērojams vācu zinātnieks Ādolfs Kolbe kopumā uzskatīja, ka molekulu ķīmiskās struktūras noskaidrošana ir principiāli neiespējama.

Pirmo reizi Butlerovs savas pamatidejas par organisko savienojumu uzbūvi izteica 1861. gadā ziņojumā “Par vielas ķīmisko struktūru”, ar kuru viņš iepazīstināja Vācijas dabaszinātnieku un ārstu kongresa dalībniekus Špeijerā. Savā teorijā viņš iekļāva Kekules idejas par valenci (saišu skaitu konkrētam atomam) un skotu ķīmiķa Arčibalda Kūpera idejas, ka oglekļa atomi varētu veidot ķēdes. Būtiskā atšķirība Butlerova teorija no citiem bija noteikums par molekulu ķīmisko (nevis mehānisko) struktūru - veidu, kādā atomi savienojas viens ar otru, veidojot molekulu. Šajā gadījumā katrs atoms izveidoja saiti atbilstoši tam piederošajam “ķīmiskajam spēkam”. Savā teorijā zinātnieks skaidri nošķīra brīvo atomu un atomu, kas ir nonācis savienojumā ar citu (tas nonāk jaunā formā, un savstarpējas ietekmes rezultātā savienotie atomi, atkarībā no strukturālās vides , ir dažādi ķīmiskās funkcijas). Krievu ķīmiķis bija pārliecināts, ka formulas ne tikai shematiski attēlo molekulas, bet arī atspoguļo to reālo struktūru. Turklāt katrai molekulai ir noteikta struktūra, kas mainās tikai ķīmisko pārvērtību laikā. No teorijas noteikumiem izrietēja (vēlāk eksperimentāli apstiprināja), ka organiskā savienojuma ķīmiskās īpašības nosaka tā struktūra. Šis apgalvojums ir īpaši svarīgs, jo ļāva izskaidrot un prognozēt vielu ķīmiskās pārvērtības. Pastāv arī apgriezta sakarība: pēc strukturālās formulas var spriest par ķīmisko un fizikālās īpašības vielas. Turklāt zinātnieks vērsa uzmanību uz to, ka savienojumu reaktivitāte ir izskaidrojama ar enerģiju, ar kādu savienojas atomi.

Ar izveidotās teorijas palīdzību Butlerovs spēja izskaidrot izomerismu. Izomēri ir savienojumi, kuros atomu daudzums un “kvalitāte” ir vienādi, bet tajā pašā laikā tiem ir dažādas ķīmiskās īpašības un līdz ar to atšķirīga struktūra. Teorija ļāva skaidri izskaidrot zināmi gadījumi izomerisms. Butlerovs uzskatīja, ka ir iespējams noteikt atomu telpisko izvietojumu molekulā. Viņa prognozes vēlāk apstiprinājās, kas deva impulsu jaunas organiskās ķīmijas nozares - stereoķīmijas - attīstībai. Jāpiebilst, ka zinātnieks bija pirmais, kurš atklāja un izskaidroja dinamiskās izomērijas fenomenu. Tā nozīme ir tāda, ka divi vai vairāki izomēri noteiktos apstākļos var viegli pārveidoties viens otrā. Vispārīgi runājot, tā ir kļuvusi par izomēriju nopietns pārbaudījums par ķīmiskās struktūras teoriju, un viņa to lieliski izskaidroja.

Butlerova formulētie neapgāžamie noteikumi ļoti drīz atnesa teorijai vispārēju atzinību. Izvirzīto ideju pareizību apstiprināja zinātnieka un viņa sekotāju eksperimenti. Savā procesā viņi pierādīja izomērijas hipotēzi: Butlerovs sintezēja vienu no četriem teorijā paredzētajiem butilspirtiem un atšifrēja tā struktūru. Saskaņā ar izomērijas likumiem, kas tieši izriet no teorijas, tika ierosināta arī četru valerīnskābju pastāvēšanas iespēja. Vēlāk tos saņēma.

Tie ir tikai atsevišķi fakti atklājumu ķēdē: organisko savienojumu struktūras ķīmiskajai teorijai bija pārsteidzoša prognozēšanas spēja.

Par salīdzinoši īss periods Tika atklāts, sintezēts un pētīts liels skaits jaunu organisko vielu un to izomēru. Tā rezultātā Butlerova teorija deva impulsu ķīmijas zinātnes, tostarp sintētiskās organiskās ķīmijas, straujai attīstībai. Tādējādi Butlerova daudzās sintēzes ir veselu nozaru galvenie produkti.

Ķīmiskās struktūras teorija turpināja attīstīties, kas tajā laikā ienesa daudzas revolucionāras idejas organiskajā ķīmijā. Piemēram, Kekule ierosināja benzola ciklisko struktūru un tā dubulto saišu kustību molekulā, savienojumu ar konjugētām saitēm īpašās īpašības un daudz ko citu. Turklāt minētā teorija radīja organiskā ķīmija vizuālāks - kļuva iespējams uzzīmēt molekulu formulas.

Un tas, savukārt, iezīmēja organisko savienojumu klasifikācijas sākumu. Tieši struktūrformulu izmantošana palīdzēja noteikt jaunu vielu sintezēšanas veidus un noteikt sarežģītu savienojumu struktūru, tas ir, noteica ķīmiskās zinātnes un tās nozaru aktīvu attīstību. Piemēram, Butlerovs sāka veikt nopietnus pētījumus par polimerizācijas procesu. Krievijā šo iniciatīvu turpināja viņa studenti, kas galu galā ļāva atvērt rūpnieciskā metode sintētiskā kaučuka iegūšana.