На восьми заседаниях физико-математического факультета в сентябре 1850 года Бутлеров держал экзамен для получения степени магистра химии. Сдавая экзамен по неорганической, органической и аналитической химии, минералогии, геогнозии и физике, он показал во всех этих науках не только теоретические и практические познания, но и знакомство с историей и литературой этих наук.

Экзамен прошел успешно, и к началу 1851 года Бутлеров представил диссертацию «Об окислении органических соединений». В отзыве об этой работе Бутлерова Клаус высказался следующим образом:

«Тема, выбранная с одобрения факультета нашим молодым ученым, представляет общий литературно-химический довольно трудный предмет, до сих пор еще никем не обработанный. Он собрал все частности, разбросанные в различных сочинениях, и подвел их под общий логический взгляд. Работа такого рода гораздо труднее всякого частного исследования и представляет диссертацию в настоящем ее смысле. Здесь нужно не специальное только познание некоторых частей химии, но близкое знакомство с нашей наукой во всем ее объеме и умение владеть фактами, Г-н Бутлеров показал в своем сочинении не только обширные литературно-химические познания, но сумел самостоятельно воспользоваться отдельными фактами, расположив их в логическом порядке и показав при этом критический взгляд».

Профессор А. М. Зайцев в своих «Материалах к биографии А. М. Бутлерова» говорит:

«Просматривая эту диссертацию, действительно нельзя не признать богатство вложенного в ней литературно-фактического материала, на собирание которого автор немало затратил труда и времени, талант автора, с которым он сумел сгруппировать крайне разнообразный и многочисленный материал, и, наконец, широту некоторых воззрений, которые местами изложены в диссертации».

По сути дела, в этой диссертации Бутлеров намечал программу своей дальнейшей научной работы с удивительным даром предвидения путей развития всей органической химии.

Молодой ученый писал:

«Оглянувшись назад, нельзя не удивляться, какой огромный шаг сделала органическая химия в короткое время своего существования. Несравненно больше, однакож, предстоит ей впереди, и будет, наконец, время, когда не только качественно, но и количественно исследуются продукты органических превращений, когда мало-помалу откроются и определятся истинные, точные законы их и тела займут свои естественные места в химической системе. Тогда химик, по некоторым известным свойствам данного тела, зная общие условия известных превращений, предскажет наперед без ошибки явление тех или других продуктов и заранее определит не только состав, но и свойства их. Время это может и даже должно настать для нашей науки, а между тем сколько предстоит трудов, какое поле для пытливого ума».

Исследовать эти общие условия превращений, установить законы их и ставил в основу своей «программы жизни и работы» молодой ученый на пороге своей научной деятельности.

Магистерская диссертация Бутлерова свидетельствует о том, что увлечение внешней стороной химических превращений у него очень рано совмещалось со стремлением к обобщению накопленных фактов.

По существовавшим в то время порядкам диссертация на ученую степень допускалась к защите с разрешения совета университета, причем совет назначал от себя на диспут по одному профессору от каждого факультета и затем, после защиты диссертации, диспутант утверждался в степени министром народного просвещения. Защита диссертации Бутлерова состоялась 11 февраля 1851 года в присутствии профессоров С. Ф. Готвальда, Е. Г. Осокина и А. Н. Бекетова. Официальными оппонентами выступили профессора К. К. Клаус и М. Я. Киттары. Утверждение Бутлерова в ученой степени магистра состоялось 2 марта того же года.

Уже в феврале 1851 года, после защиты диссертации, физико-математический факультет возбудил ходатайство об избрании молодого магистра в адъюнкты по кафедре химии. Мотивировалось это ходатайство не только необходимостью для профессора Клауса иметь помощника по преподаванию химии, но и выдающимися достоинствами рекомендуемого кандидата как с научной, так и с педагогической стороны.

Избрание Бутлерова в адъюнкты состоялось в совете университета 14 марта 1851 года 21 голосом против 3, а 14 июля того же года Бутлеров был утвержден в этой должности.

Вспоминая об этом времени, Бутлеров говорит скромно:

«В 1849 году я окончил курс, а в 1851 приобрел степень магистра и был назначен адъюнкт-профессором, но по своему научному развитию оставался все-таки не более как хорошим учеником, владеющим недурно фактами, но совершенно еще лишенным научной самостоятельности и критического отношения к предмету. А между тем уже в начале 1852 года и Клаус оставил Казань для Дерпта, и на меня легло полностью преподавание в Казани».

Но этот хороший ученик оказался блестящим учителем.

С осеннего семестра 1851 года двадцатитрехлетний адъюнкт начал регулярно читать лекции студентам камерального отделения, естественникам и медикам.

Все той же дорогой, мимо красного кирпичного дома с аптекой, где не так давно стоял закопченный трактир, по немощеной Петропавловской улице, потом глухими переулками, чтобы сократить путь, поднимался он вверх на Воскресенскую и выходил к классическому ансамблю университетского городка. Но теперь он проходил в здание химической лаборатории уже не так беззаботно, как прежде. Входя в вестибюль, отвечая на поклон важного швейцара, он проходил в свой кабинет, не имея сил подавить свое волнение.

Направляясь к дверям гудящей аудитории, Александр Михайлович прибавлял шаг, так как знал, что перестанет волноваться, когда встанет на кафедру и произнесет традиционное обращение:

— Милостивые государи! Сегодня я намерен изложить вам…

Уже на первых своих лекциях Александр Михайлович понял, что вдохновение не выдумка поэтов, а нечто действительно существующее. Только этим особенным состоянием и мог объяснить он то, что происходило с ним на кафедре, перед рядами обращенных к нему внимательных лиц. Спокойно взглянув на приготовленный конспект лекции, он внезапна приходил к выводу, что конспект никуда не годится и всю лекцию надо перестраивать. Не медля ни секунды, он невероятно быстро перестраивал лекцию и часто начинал ее с того, чем собирался закончить.

Но тут же выяснялось, что и факты, подобранные его памятью в то время, когда он готовился к лекции, не исчерпывают вопроса, что есть другие, которые вспомнились так же неожиданно, и они-то именно должны увлечь аудиторию.

«Как же это я мог упустить…» — успевал еще подумать Бутлеров, подбирая в то же время нужные слова для фактов, для выводов, для заключения. Речь его не прерывалась ни на одну минуту: со стороны трудно было представить, какую колоссальную работу проделывает в своем уме этот спокойный молодой человек, так приветливо оглядывающий притихшую аудиторию.

Закончив лекцию, Александр Михайлович не спешил в профессорскую, как другие профессора. Ему не хотелось расставаться с этими внимательными лицами, он любил, когда его окружали студенты и задавали вопросы. Он отвечал охотно, с тем дружелюбием, которое так шло к нему, но студенты, разговаривая с ним, все-таки не решались непринужденно заложить руки за спину или сунуть их в карманы.

Известный писатель П. Д. Боборыкин, один из первых слушателей Бутлерова, вспоминает:

«В 1853 году, в самом начале осеннего полугодия, в полукруглую аудиторию, где читалась химия, собрались студенты медики, естественники и камералисты Казанского университета. Из кабинета вышел очень молодой профессор, с легкой поступью и живыми манерами и заговорил таким ясным, отчетливым языком, какого никто из нас, учеников гимназии, никогда не слышал… Бутлеров уже тогда владел и речью, и способностью к наглядному преподаванию в совершенстве. Для многих из нас он представлялся чем-то совершенно выделявшимся из профессорской братии и по внешнему виду своему, и по манере держать себя, и по голосу, помимо уже чисто умственных качеств. Его появление в аудитории внесло с собою нечто оживляющее, точно праздничное, чрезвычайно интересное само по себе…»