Для исследований изомерных веществ Бутлеров воспользовался известным изобутиловым спиртом, который был выделен еще в 1852 году из сивушного масла. По своим химическим свойствам изобутиловый спирт близок к винному спирту. Бутлеров выбрал для исследования изобутиловый спирт потому, что он был наиболее доступным по цене и легко очищался от примесей.

Исходя из теории строения, можно было предвидеть существование бутилового спирта в четырех изомерных видоизменениях. Бутлеров дал этим четырем бутиловым спиртам названия нормального, первичного, вторичного и третичного. Вюрцевский спирт Бутлеров назвал нормальным бутиловым; существование остальных предстояло доказать.

К величайшему торжеству теории химического строения в 1863–1864 годах Бутлеров действием цинкметила на хлорангидрид уксусной кислоты получает триметилкарбинол — простейший и исторически первый третичный спирт. В то же время в других лабораториях были синтезированы вторичный бутиловый спирт, а затем и первичный. Основанные на теории химического строения первые предсказания Бутлерова оправдались самым блестящим образом: Бутлерову удалось не только показать существование изомерии спиртов, но и подтвердить правильность объяснения явления изомерии химическим строением молекул.

Вслед за тем, изучая производные триметилкарбинола, Бутлеров опубликовал не менее важное в истории органической химии исследование, в котором подобным же образом доказал изомерию открытого им изобутана с нормальным бутаном.

Разъяснение сущности чрезвычайно распространенного в органической химии и загадочного явления изомерии было столь блестящим торжеством Бутлерова и проводимых им теоретических воззрений, что, говоря о значении созданной им теории строения, великий русский ученый был вправе сказать:

«Повторяю, что химическое строение является настоящим объяснением причин изомерии. Мы можем прямо сказать, что вещества, содержащие одинаковые элементарные составные части и в одинаковом количестве, бывают различны потому, что зависимость движения между атомами этих составных частей распределена различно в различных случаях. Это все, что можно требовать ныне от химического объяснения. Само собой разумеется, что когда мы будем знать ближе натуру химической энергии, самый род атомного движения, когда законы механики получат и здесь приложение, тогда учение о химическом строении падет, как падали прежние химические теории, но, подобно большинству из них, оно падет не для того, чтобы исчезнуть, а для того, чтобы войти в измененном виде в круг новых и более широких воззрений. Что учение о химическом строении существует ныне законно, что оно отслужило уже не малую службу — доказательством те десятки тысяч фактов, которые были найдены именно благодаря этому учению и которые оно во множестве случаев сумело предсказать заранее. Чего же можно более требовать и ожидать от теории в такой науке, как химия, где мы еще далеки от совершенства теорий механических?»

Продолжая доставлять подтверждения своей теории экспериментальным путем, Александр Михайлович в то же время пользовался каждым случаем для ее пропаганды. Он объясняет свои воззрения на примерах и печатает ряд статей в иностранных журналах. В напечатанной в 1863 году Бутлеровым статье «О различных способах объяснения некоторых случаев изомерии» он разъясняет представителям двух противоположных лагерей — Кекуле и Кольбе, что, по существу, взгляды их во многом сходны и разнятся чаще всего лишь способами выражения в формулах.

Полагая, что многим, в том числе и Кекуле, помехой для принятия теории строения служит авторитет Жерара, Бутлеров указывает, что и сам Жерар, отвергавший конституционные формулы и предсуществование радикалов в химически сложных частицах, в некоторых случаях вынужден был допустить эти радикалы.

Бутлеров пользовался каждым случаем, чтобы показать, к какой непоследовательности и к каким ложным выводам приходят те химики, которые не проводят логически строго основных принципов теории строения. Эта непоследовательность служила особенно частым поводом для критических замечаний, задевавших самолюбие авторитетов, тем более, что подобные же упреки стали делать и молодые ученики Бутлерова.

В 1864 году появились, например, две большие статьи «О систематическом применении принципа атомности для предсказания изомеров и метамеров» Бутлерова и статья В. В. Марковникова «О бромиде аллильного алкоголя и изомерии некоторых веществ пропильного ряда» с примечаниями к ней Бутлерова.

В 1864 году в связи со своей работой над третичными спиртами Бутлеров, разъясняя вопрос о строении углеводородов и алкоголей, указал на возможность существования изомерных предельных углеводородов и изомерных первичных спиртов, между тем, как «сам» Вюрц не признавал возможности изомерии предельных углеводородов. В статье «К вопросу об изомерии акриловой кислоты» Бутлеров критически разобрал с точки зрения теории химического строения работы Франкланда и Дюппа.

Уже в эти годы напряженной и необычайно плодотворной деятельности Бутлеров обнаруживает свою проницательность, свою гениальную способность предвидеть «тень грядущих событий».

В статье «О различных способах объяснения некоторых случаев изомерии» он предвидит рождение новой науки, получившей позднее название стереохимии, составляющей сейчас одну из важнейших дисциплин.

«Вряд ли можно присоединиться к мнению Кольбе, — пишет он, — что положение атомов в пространстве нельзя изобразить в плоскости бумаги; ведь математическими формулами выражается положение точек в пространстве, и можно надеяться, что законы, управляющие образованием и существованием химических соединений, найдут в свое время математическое выражение. Но если атомы действительно существуют, тогда я не понимаю, почему все попытки определения их группировки в пространстве, как это полагает Кольбе, должны быть тщетными, почему будущее нас не научит произвести такие определения?»

В этих строках, предвещавших новый фазис развития химии, Бутлеров как химик-философ с необычайно развитой интуицией проявляется как нельзя более ярко. Через одиннадцать лет, в 1874 году, Вант-Гофф и Лебель положили основание «химии в пространстве», или стереохимии.

А как в это же самое время относились к вопросу о «химии в пространстве» выдающиеся ученые Запада, которых их соотечественники рекламируют как «творцов структурной теории»?

Попытки иллюстрировать предполагаемое расположение атомов в пространстве при помощи чертежа Кольбе, например, считал «пустым фокусничаньем с формулами», а о книге Вант-Гоффа «Химия в пространстве» Кольбе, издеваясь над автором, писал:

«Некий доктор Я. Г. Вант-Гофф, служащий ветеринарной школы в Утрехте, повидимому, не имеет никакого вкуса к точному химическому исследованию. Он предпочел сесть верхом на Пегаса (взятого, вероятно, напрокат в ветеринарных конюшнях) и провозглашать в своей «Химии в пространстве» о том, как в продолжение его смелого полета на вершину химического Парнаса атомы казались ему сами себя группирующими во всем мировом пространстве».

В этом злобном выпаде, как в зеркале, отразился весь Кольбе — типичный химик-практик, презирающий теоретические построения, неспособный к философским обобщениям. Противник теории типов, структурной теории, он, естественно, выступил и противником пространственной химии.

Нынешние успехи физико-химических наук подтвердили предвидение Бутлерова о том, что химические, физические, механические и все иные свойства веществ зависят не только от последовательности сцепления атомов в молекулах, то-есть химического строения, но и от размещения атомов в пространстве. Пространственные представления в современной физике и химии стали столь же необходимыми, как и представления об атомах и молекулах.

Отсюда ясно, как глубоко, хотя и опираясь лишь на свою интуицию, Бутлеров проникал в тайны химического строения и как прав был он, предвидя все колоссальное значение созданной им теории химического строения для будущего.

Руководясь ею, не только возможно выяснить причину изомерии громадного числа соединений, но возможно и сознательно выбирать пути к синтезу новых органических соединений, так как из всего огромного числа мыслимых сочетаний атомов способными к существованию оказываются те, которые удовлетворяют основным принципам теории химического строения.