Изучая труды своих предшественников и современников, Бутлеров внимательно просматривал старые факты и сопоставлял их с новыми открытиями.
На его глазах происходила острая, напряженная борьба между сторонниками теории радикалов и теории типов. Ни те, пи другие не могли дать исчерпывающего объяснения всего материала, накопленного органической химией.
Бутлеров видел, что ученые, создавшие эти теории, основывались только на случайных, отрывочных данных.
Они не охватывали всего многообразия химических явлений. Например, никто не мог объяснить, почему некоторые вещества имеют совершенно одинаковый состав, но в то же время обладают разными свойствами.
Два атома углерода, шесть атомов водорода и атом кислорода, соединяясь вместе, могут образовать и всем известный винный спирт, и метиловый эфир, который представляет собой газ с резким, неприятным запахом.
Четыре атома углерода, восемь атомов водорода и два атома кислорода дают восемь различных химических соединений: масляную кислоту, входящую в состав сливочного масла, необычайно душистый с приятным запахом этилацетат и т. д.
Такие вещества получили название изомеров. Термин составлен из греческих слов: изо — равный, одинаковый, мерос — часть.
Изомерия казалась ученым тайной за семью печатями, в которую они даже не осмеливались проникать. Это была неразрешимая загадка, приведшая к тому, что ученые того времени стали считать природу органического вещества вообще непознаваемой.
С гениальной прозорливостью Бутлеров понял, что ключом к познанию всего многообразия органических веществ может быть только та теория, которая основывается на углубленном знании самой природы вещества.
Уже давно прошло то время, когда органическими соединениями называли только те вещества, которые вырабатывались растениями и животными организмами. Химики в своих колбах получали много новых органических веществ, не существующих в растительном и животном мире.
Но в большинстве случаев химики делали это как бы ощупью, наугад. Они не имели еще ясного представления о том, что происходит в их колбах.
Так, например, один ученый в 1856 году делал опыты с анилином, способ производства которого был открыт русским химиком Н. Н. Зининым еще в 1842 году. Этот ученый пытался получить из анилина искусственным путем хинин.
Но каково же было его удивление, когда вместо кристаллов хинина на дне колбы к концу опыта образовалась густая смолистая масса, плотно приставшая к стеклу.
Ученый стал отмывать эту массу спиртом, и вдруг спирт окрасился в пурпурный цвет. Такую же окраску приобрел и моток шерстяной пряжи, опущенный в раствор. Так появился на свет случайно изобретенный, новый искусственный краситель — мовеин.
Но никто — ни сторонники теории замещения, ни теории радикалов, ни теории типов — не могли объяснить, почему из анилина вместо хинина получился мовеин — яркая пурпурная краска.
Такие случайные открытия увеличивали число органических веществ, полученных искусственным путем, но не двигали науку вперед.
Без руководящей теории химики не могли создавать новые вещества с теми свойствами, какие им были нужны. А быстро растущая промышленность предъявляла все новые и новые требования.
Красильщики требовали дешевых искусственных красителей, которые смогли бы заменить дорогие растительные краски, привозимые из далеких стран.
Металлурги хотели использовать каменноугольную смолу, загромождавшую заводские дворы.
Медики нуждались в лекарствах; военная промышленность—во взрывчатых веществах.
Все эти запросы невозможно было удовлетворить без ясной и четкой теории, объясняющей природу органических соединений.
Уже в первые годы научной и профессорской деятельности Бутлерова у него складываются основы будущей теории, которая вскоре произвела в органической химии полный переворот.
В 1852 году один ученый установил, что атом металла может присоединить к себе только строго определенное число других атомов или радикалов. Например, атом калия может удержать только один радикал, тогда как к атому цинка может присоединиться вдвое больше радикалов. Атом же алюминия может присоединить к себе только три радикала.
Оказалось, что все химические элементы соединяются друг с другом или с органическими радикалами в определенных соотношениях.
Это открытие заставило химиков по-новому взглянуть и на химическое сродство, т. е. на способность различных атомов связываться друг с другом.
Каждый атом имеет строго определенное число крючочков, или связей. Если химическое сродство атомов одинаково, то они соединяются атом на атом — хлор и натрий, кальций и сера, кислород и цинк и т. д.
Если же у одного из атомов число крючочков, или связей больше, чем у другого, то на атом одного вещества приходится два, три атома другого вещества.
Например, в хлористом алюминии на один атом алюминия пойдет три атома хлора, а в сероводороде атом серы соединится с двумя атомами водорода.
Свойство атомов одного элемента присоединять к себе строго определенное число атомов другого элемента было позднее названо валентностью.
Введение в химию понятия о валентности элементов дало возможность предсказать состав молекулы, образуемой при соединении тех или иных атомов.
В 1857 году было сделано второе важное открытие. Химик Кекуле установил, что атом углерода четырехвалентен, т. е. он как бы имеет четыре крючочка, четыре связи, способные присоединять к себе четыре атома водорода или другого одновалентного элемента. Кекуле заметил также, что атомы углерода могут соединяться друг с другом.
Действительно, один атом углерода присоединяет к себе два атома двухвалентного кислорода, образуя углекислый газ, или четыре атома одновалентного водорода, образуя болотный газ — метан.
Точно так же и в сероуглероде, прекрасном растворителе жиров и масел, один атом углерода присоединяет к себе два атома двухатомной серы, а в хлороформе — три одноатомных атома хлора и один одноатомный атом водорода.
В руках Кекуле теперь было все необходимое для того, чтобы создать новую теорию в органической химии. Однако Кекуле не в силах был освободить себя от пут уже отживающей свой век теории типов. Вместо того, чтобы смело ее отбросить и использовать свое открытие для создания новой и прогрессивной теории, Кекуле применил его для… укрепления теории типов. Он придумал новый тип — соединение атома углерода с четырьмя атомами водорода.
Теория типов прочно господствовала в умах и других зарубежных химиков.