Когда Казань получила городской газ, А. М. Зайцев, достойный преемник химических традиций Клауса, Зинина и Бутлерова, воспользовался этим случаем, чтобы все освободившиеся помещения присоединить к лаборатории.
Денежные средства лаборатории в пятидесятых и в начале шестидесятых годов были весьма скудны. Ежегодная сумма, отпускавшаяся на лабораторию, не превышала четырехсот рублей. Прибавлял еще иногда столько же университет, но все вместе составляло ничтожную сумму. Между тем оборудование для лаборатории приходилось выписывать или из-за границы, или из Петербурга и за одну перевозку уплачивать рублей по двести в год.
Отпускаемых средств нехватало даже на то, чтобы заказать рабочий стол для практикантов, число которых с каждым годом возрастало. Марковников, будучи студентом четвертого курса, собрал по подписке между работавшими двенадцать рублей, чтобы заказать стол на шесть мест, а недостающие десять рублей добавил Бутлеров. Недостаток средств тормозил работу как самого Бутлерова, так и его учеников. С введением нового устава в 1863 году все вздохнули свободнее: лаборатория стала получать около двух тысяч рублей, что казалось уже огромным богатством.
В этой значительно улучшенной химической лаборатории Казанского университета и начал серию новых работ ее руководитель.
За три года, предшествующие второй заграничной поездке, Бутлеров провел шесть чрезвычайно интересных исследований.
В первой работе этого периода, напечатанной в начале 1859 года, подтверждается прежде всего новыми данными состав уксусного эфира метиленгликоля и затем описываются «новые опыты, при помощи которых Бутлеров рассчитывал получить метиленгликоль. Правда; получить это соединение Бутлерову не удалось, но он получил новое интересное соединение, названное «диоксиметиленом». В этой же работе дано описание не приведших к положительным результатам опытов приготовления в свободном виде радикала метилена.
В 1860 году была опубликована работа Бутлерова о продукте реакции аммиака на диоксиметилен. Хорошо кристаллизующийся продукт этой реакции назван гексаметилентетрамином, известным нам теперь под названием уротропина.
К 1861 году относятся еще две замечательные работы Бутлерова. В одной из них описано сахаристое вещество, названное Бутлеровым метиленитаном, которое было получено действием известковой воды на диоксиметилен. Это соединение представляет первое синтетическое сахаристое вещество, приготовленное из простейшего органического соединения.
Открытие Бутлерова внесло новый свет в разрешение очень важного вопроса биологии — вопроса о механизме усвоения углекислоты растениями.
Этот бутлеровский синтез явился очень важной ступенью в формировании представлений о фотосинтезе. Он помог другим ученым решить эту важную проблему.
Открытие Бутлерова создало почву для открытия путей перехода из мира неорганического в органический.
Надо заметить, что все эти работы Бутлерова стоят в тесной связи с разрабатывавшейся им в то же время теорией химического строения. Между ними нет почти ни одной, которая давала бы лишь фактический материал для будущего науки. Напротив, каждая из них разрешала тот или другой частный теоретический вопрос, открывающий перспективы дальнейших обобщений. Работа такого характера совпадала с давнишней склонностью Бутлерова. В идее атомности он видел средство повести химию к ее широкому будущему, средство осуществить программу своей жизни, намеченную еще в его магистерской диссертации. Погружаясь мысленно в тесный мир молекулы, стараясь напряженным до страстности зрением увидеть, понять ее строение, взаимную связь и расположение атомов в ней, Бутлеров все ближе проникал «во внутреннее нечувствительных частиц строение».
Работы по синтезу формальдегида, уротропина, сахаристого вещества помогли ему уточнить для себя представление о строении молекул и приблизиться к разрешению важной проблемы изомерии. Ему становилось ясным, что различие органических веществ при тождественном атомном составе зависит от порядков связей атомов в молекуле, что знание этих порядков откроет возможность предсказания изомерных веществ.