1868年春，布特列洛夫收到彼得堡大学的来信，这封信带来了新的欢乐 和忧虑。根据德伊·门捷列夫的推荐，他被聘为化学教授。
彼得堡大学的化学教授！这自然是一种崇高的荣誉，但怎么能把花园、 蜜蜂和各种花统统扔下呢？布特列洛夫觉得，丢掉心爱的东西，生活是无法 想象的。不错，负责看管布特列洛夫卡的是一位很好的管家、出色的养蜂人。 他可以负责照料一切，可是布特列洛夫还是非常舍不得离开这里。
十月份送来了新任命。当时教学工作正处在紧张阶段，学术委员会敦请 布特列洛夫最好在冬季学期结束前留在喀山。
布特列洛夫在喀山大学度过了硕果累累的几年！
他离开这所大学就像告别了亲人。
对于这里的继任者，他没有什么不放心的——天才科学家弗拉基米尔·瓦 西利耶维奇·马尔柯夫尼科夫将接替他的位置。亚历山大·米哈伊洛维奇·扎 伊采夫也继续在喀山大学任教。
送别布特列洛夫时，学生们心里非常难过，教授们觉得失去了一位世界 有名的学者。为了表示对布特列洛夫的敬意，学术委员会选他为喀山大学名 誉学术委员，并决定在教授阅览厅悬挂他的画像。
这时布特列洛夫已经来到彼得堡，他写了一封情意恳切的感谢信：“我 在喀山大学度过了一生中最美好的岁月，令人感动的回忆使我和喀山大学建 立了牢不可破的联系。学术委员会选举我为名誉学术委员，使我有权像过去 一样把喀山大学称为我的母校”。
当时的彼得堡是俄国最大的科学中心，在这里工作的有门捷列夫、齐宁、 鲍罗金……
1869年1月底，布特列洛夫开始讲授有机化学。他在彼得堡深受欢迎。 他上第一堂课时，大教室就已经容纳不下前来听讲的人。
布特列洛夫又开始领导实验室工作。在做完实验后或是等待反应结果 时，布特列洛夫就抓紧时间取来煤气灯，极其耐心地用玻璃吹制十分复杂的 仪器小零件。
“一个好的化学家必须会亲手制造最复杂的玻璃仪器。”布特列洛夫很 喜欢一再重复这句话。
实习生以他为榜样，一有空就努力学习吹制玻璃器皿的技术。
布特列洛夫在研究工作中继续发展了他的结构理论。他一心要证明各种 类型的有机化合物都可能有支链和直链。这一点是根据理论直接推导出来 的，但理论原理还必须在实践中加以证明。有的碳氢化合物，例如丁烷，它 的四个碳原子可以不是首尾相连，而是像三甲基丁醇中的碳原子那样彼此相 连，像这样的碳氢化合物难道就无法制得吗？不过要找到合成它的正确方 法，就必须进行大量实验。
布特列洛夫经过一番努力，终于获得成功，在一个大烧瓶里盛着盼望已 久的异丁烯。碳氢化合物中支链的存在被证实了。
布特列洛夫还积极地参加彼得堡的社会活动。当时的社会进步人士都很 关心妇女的教育问题，要求妇女应当享有上大学的自由！在医学院里开办了 高级女子学校，别斯图热夫女子学校也已开班上课，布特列洛夫就在这所学 校里讲授化学。此学校是1878年成立于彼得堡，曾以别斯图热夫命名，用以 纪念该校第一任校长、历史学教授康斯坦丁·尼古拉耶维奇·别斯图热夫— —柳明。
这位杰出的科学家还参加了“经济学会”的工作，他规定自己在“学会” 里的主要任务是普及现代养蜂知识。在“经济学会”的帮助下，他到全俄各 地建立了不少模范养蜂站，这些养蜂站都采用新式蜂箱，并在实践中证实了 科学养蜂法优点很多。
布特列洛夫多方面的科学活动受到了科学院的赞赏。1871年，他当选为 特约院士，三年后当选为正式院士，并在科学院大楼里分到一套住宅。尼古 拉·尼古拉耶维奇·齐宁也住在那里。
住所的邻近更增进了他们昔日的友谊。
“拉尔观察到的现象，我还是没有弄清。”齐宁在办公室里踱来踱去， 一边习惯地捋着长长的胡须。拉尔观察到的是互变异现象，即由一个氢原子 的不同位置所引起的异构现象。彼得·康拉德·拉尔——德国化学家和社会 活动家，研究过氰酸反应，“互变异构”一词就是他于1865年提出的。
“我们总是把有机物的分子看成是不变的原子团，”布特列洛夫说，“难 道某种物质在通常条件下或者在发生反应时不能从一种异构形式变成另一种 异构形式吗？”
“从理论上看，一切都是可能的，但实际上这一点却很难想象。”
“拉尔的观察清楚地表明对这种观点非常有利，互变异构现象是大多数 同时有两种异构形式的物质的特征。应当预见到，在只有一种异构形式参加 化学反应时，经过一段时间后，会出现一种异构形式逐渐转变成另一种异构 形式的现象。我觉得这一点是毫无疑问的。”
这确实是真知灼见。这位伟大的科学家坚决主张必须用动力学观点来观 察化学过程，也就是说，必须把化学过程看作是一种渐近的平衡过程。
1862—1865年，布特列洛夫提出了可逆同分异构——互变异构理论的基 本原理。他认为互变异构现象的机理在于某种结构的分子发生裂解，裂解的 残留部分互相化合，组成另一种结构的分子。连拉尔都不能否认布特列洛夫 提出互变异构理论的优先权。
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