部里同意他出国访问。1867年8月末，布特列洛夫启程而去。他在德、法两国进行了多次洽谈和发表一些文章后，认为争议业已彻底解决，再进行这种活动已经毫无意义。
离出差期满还有好几个月的时间。布特列洛夫决定利用这个方便机会前去访问向往已久的阿拉伯国家观光一下北非海岸。他游历了法国南部和意大利后，乘坐一艘小轮船向阿尔及尔开去。风景秀丽迷人的地中海原来潜伏着巨大危险。突然间，天空昏晦，巨浪咆哮，一道道闪电划破海天一色的黑暗。船员们拼命奋战，桅杆纷纷折断，海浪冲上甲板，把一些吓得要死的旅客卷进回旋翻滚的无底深渊。在一片混乱中，布特列洛夫并设有张皇失措，而是帮助船员拖来防水帆布，以免海水灌进轮机间。
他们到达非洲海岸时，觉得暴风雨简直像一场遥远的恶梦。在这里，既有东方的恬静安谧，又有西方的匆忙紧张。这就是阿尔及尔！白石头砌成的楼房洒满了南方的耀眼阳光，倒映在波平如镜的深蓝色海面上。真是一个活生生的童话世界！
布特列洛夫取道意大利返回俄国，从意大利还带回了两箱蜜蜂。他在关于蜜蜂的不同品种、生活习性和蜂蜜产量的研究成果中，又补充了不少新资料。
彼得堡大学
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、蜜蜂和各种花儿统统扔下呢？布特列洛夫觉得，丢掉心爱的东西，生活是无法想像的。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。
10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布特列洛夫在喀山大学度过了做出成果最多的几年！他离开这所大学就像告别了亲人。对这里的继任者，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最美好的岁月，令人感激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、齐宁和鲍罗金。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成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。
实习的学生以他为榜样，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碳链和直碳链。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4个碳原子可以不是首尾相接，而是像三甲基甲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！
布特列洛夫还积极参加了彼得堡的社会活动。当时的社会进步人士特别关心妇女教育问题。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，布特列洛夫在这里负责讲授化学。
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学。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。
布特列洛夫从事的多方面的科学活动受到科学院的赞赏。1871年，他当选为特约院士，3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。
“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，“难道某些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像。”
“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平衡过程。
在仔细改进了结构理论后，布特列洛夫越来越注意化学的一般性问题。周期律的发现使他经常从哲学上去考虑原子量问题。他曾多次和门捷列夫谈到这一点。
“原子量有小数，还一直没有得到解释呢。”布特列洛夫坚持说。
“你也知道，施塔斯做过最精细的测定，证明原子量的数值可以不是整数。”门捷列夫回答道。
“为什么不能采用普劳特的假说呢？这样就可以设想：比如，氯原子是由不同数量的氢原子组成的。如果接受了他的观点，就能很容易懂得为什么氯的原子量是35.5了，因为氯原子存在着两种原子量——35和36。”
“不，不对！这不可能！亚历山大·米哈伊洛维奇，请您还是让钻和镍各自保有原来的名称和形态吧，这就好比我是德米特里·伊万诺维奇，您是亚历山大·米哈伊洛维奇一样。”
布特列洛夫坚信一种元素的原子可以有不同的原子量。不过，这还有待于进一步研究和提出确凿的证据。他很久都在考虑怎样通过实验途径来检验这种非常有趣的设想。他和助教勃·弗·里采讨论了各种可行的方案，还绘出了仪器草图，于是在科学院实验室里出现了许多过去从未见过的古怪仪器。里采对布特列洛夫崇拜得五体投地，认为这位老师是自古以来最伟大的学者，布特列洛夫的话就是法律。
他们的研究工作在化学史上真是绝无仅有，实验进行了几十次、几百次，但得到的都是相反的结果。里采并没有灰心丧气：既然布特列洛夫这样做了，就是说他们所走的道路一定正确。需要的只是时间和耐心。
“结果又是否定的。”里采送来一张写满数据的实验单。
布特列洛夫戴上眼镜，默默地把数据看了半天。
“我们再考虑个方案吧。”他说完了，忙向办公室走去。
写字台上放着一份没写完的论文。布特列洛夫打开一个靠墙的柜子，取出两个厚厚的记事本，打算写些什么。他一动不动地站了几分钟，随即坐了下来，茫茫然凝视着一个地方，然后擦了擦额头。他在想：“晚年逼近了。总想就这样坐坐，静静地歇一会儿。”
门开了。一个淡黄头发的小女孩向屋里略一张望，仿佛射进来一缕春天的阳光。这是索涅奇卡，布特列洛夫的孙女儿。
“爷爷，我要看小鱼！”
“过来，孩子。咱们一起喂鱼去。”布特列洛夫拉起孙女的手，向盛着各色金鱼的玻璃缸走去。布特列洛夫一直热爱着大自然。每当工作累了或是一时找不到恰当的词句来十分确切地表达某些思想，他就丢开工作——走向鱼缸，长时间地看着金鱼游来游去。
无情的岁月慢慢流逝。他感到教学工作过于繁重，因此决定辞去教职。1880年4月4日，布特列洛夫给二年级学生上完离校前的最后一课。他们听到敬爱的教授即将去职的消息，觉得伤心极了。学生们正是为了听他讲课，才从俄国各地来到这里。布特列洛夫不能离职！
学生们成立了委员会，写出请愿书，把它郑重地递交给敬爱的教授：“您一旦离开学校——教室将失去一位无法替代的老师，实验室将失去一位不可缺少的领导。大批青年每年从俄国的天涯海角齐集彼得堡大学的理科就读，他们不怕艰难困苦，不顾穷学生难以忍受的首都生活条件，每个人都想得到在您的指导下学习的光荣，都想成为您的思想和观点的拥护者。我们这些大学生，您的学生，请求您，亚历山大·米哈伊洛维奇——无法替代的老师，不可缺少的领导，不要离开彼得堡大学，不要丢下我们！”
学术委员会通过决议，请求布特列洛夫继续留任，任期5年。
布特列洛夫决定在彼得堡大学只讲基础课，每周几次亲临实验室指导工作。他是采取各种办法普及养蜂学知识的倡导人。他写的《蜜蜂，蜜蜂的习性和简明养蜂学基本规程》一书很受欢迎，对这一经济部门的发展起了巨大作用。尽管年事已高，他仍然继续从事这项工作。为了获得高加索的一些蜜蜂品种，布特列洛夫还和青年人一样，满腔热情地组织了一次去高加索的考察活动。1886年4月末，布特列洛夫像往常一样在办公室里工作，他想从书架上取下几本要用的书。他把高凳梯子放在下面，再到书架上层去取书，竟失脚从梯子上跌了下来，膝部感到一阵剧烈疼痛。
“真倒霉！”布特列洛夫坐到椅子上喊道。“娜金卡！”
娜杰日达·米哈伊洛芙娜慌慌张张地跑了进来。
“怎么啦，萨沙？”
“不要紧，我从梯子上跌下来了，一条腿好像脱了臼，扶我到沙发上去。”
腿慢慢不疼了，可是几天后却开始肿大，而且又疼了起来。医生确诊后说：“脓肿。必须切开来清洗一下。您要尽量躺着，亚历山大·米哈伊洛维奇。”
“如果需要躺着，我就一定照办，”布特列洛夫叹了口气。“遗憾的是我不能出去打猎了。但愿春天时能够复原，我好到高加索去。茶树实验还没有做完呢。”
“这些事您都不能去做了，”医生说，“要保护好腿，不要过度劳累，要尽量少起来走动。”
手术做得相当成功。石膏绷带又重又不舒服，可是腿已经完全不疼。病人的健康状况有了好转，能拄着拐杖在室内走动。像往年一样，全家在5月份来到了布特列洛夫卡。他在那里取下腿上的石膏绷带，不拄拐杖也能走路了。
“不过，膝盖下边的这地方有个什么东西妨碍走路。”
“小心点，萨沙，要尽量少走动才好。”娜杰日达·米哈伊洛芙娜一再劝告他。
然而，布特列洛夫哪能闲得住啊！他去参观农场，观察新式农业机器的工作情况。他觉得已经完全复原，甚至还出去打过好几次猎。
8月5日清晨，天还没亮他就起了床，吩咐老仆雅科夫牵来一条好猎狗，高高兴兴地走向森林。鸟儿在欢唱，早晨的景色很美。布特列洛夫精神抖擞地迈步向前行。猎狗不时地汪汪大叫，跟着野兽的踪迹扑了过去。他已记不得走了多久，猛地觉得那条腿突然能够自由弯曲，膝盖下边也不感到难受了。
直到午饭前，他们才回家。
“别听医生的那一套！要是我以前多走走，恐怕早就复原了。娜金卡，我的腿完全好了！”
娜杰日达·米哈伊洛芙娜开始收拾桌子，准备开午饭。布特列洛夫伸直身子躺在安乐椅上。
“我想睡一会儿。娜金卡，请你到仓库那边看看工程进行得怎么样，我今天来不及去了。”
娜杰日达·米哈伊洛芙娜走了出去，悄悄把门掩上。布特列洛夫闭上眼睛打起瞌睡，突然间，仿佛有个东西在胸膛里爆炸开来，剧痛钻心，头晕目眩，胸部感到憋闷得要死。他开始呻吟起来。
老仆雅科夫听到呻吟声，匆匆跑进屋，手忙脚乱，无计可施。
“雅科夫，我很不好受。把我扶到卧室去。哎哟，头疼，快去拿点冰。”
他疼得难以忍受。娜杰日达·米哈伊洛芙娜想尽办法——用热水浴疗手臂，使用阿摩尼亚和乙醚，但一切都无济于事。疼痛刚刚消失，一会儿就变得更加厉害。病人已是上气不接下气。娜杰日达·米哈伊洛芙娜绝望地看着他，不知道怎么办才好。
病人痛苦得哼哼起来，微微动弹了一下，想翻过身去。娜杰日达·米哈伊洛芙娜小心地搬起他的头，在下面垫个枕头。布特列洛夫突然一阵抽搐，面孔变了样子，脑袋无力地垂到她的胳膊上。一切都晚了。请来的医生只来得及查明病人死于血管栓塞；由于来回走动，腿部血栓移位，分裂成好几部分，使血管发生了梗阻。
一道闪电飞掠而去，雷声隆隆滚过大地，袭来了暴风雨，大自然仿佛也在为热爱她的这个人失声痛哭，他为了揭开大自然的奥秘献出了自己的一生。俄国的一位天才化学家逝世了。