Велику роль у розвитку органічної хімії відіграла теорія хімічної будови органічних сполук, засновником якої був великий російський хімік - органік О.М.Бутлеров. Розглянемо основні положення цієї теорії.

До робіт О.М.Бутлерова не приділялося достатньо уваги уявленням про розміщення атомів у молекулах, хоча атомно-молекулярне вчення вже утвердилося в хімії. О.М.Бутлеров ввів поняття про хімічну будову - чітко визначений порядок розміщення атомів у молекулі. В основу теорії будови було покладено валентність елементів - важливу властивість атомів, яка характеризує їхню здатність до утворення хімічних зв'язків. Згідно з теорією Бутлерова в молекулах речовин атоми сполучені один з одним упевній послідовності відповідно до їхньої валентності, тобто молекули мають точну хімічну будову.

О.М.Бутлеров припускав, що вуглець в органічних сполуках чотирьохвалентний, тобто може бути сполучений з чотирма іншими одновалентними атомами. При цьому атоми вуглецю можуть сполучатися один з одним і з атомами різних елементив. Дослідження будови атомів і природи хімічного зв'язку підтвердили ці припущення. Згідно з сучасними електронними уявленнями хімічний ковалентний зв'язок виникає за рахунок неспарених електронів атома. Так, атом вуглецю при утворенні органічної сполуки переходить з основного електронного стану в збуджений.

 Чотири орбіталі атома вуглецю, що містять неспарені електрони, дають змогу атому утворити чотири ковалентних зв'язки, тобто бути чотирьохвалентними у сполуках.

Хімічну будову молекул органічних речовин записують за допомогою структурних формул, у яких зазначають усі їхі хімічні зв'язки між атомами, зв'язок зображають рискою. Згідно з електронною теорією одна риска в структурних формулах означає електронну пару, що сполучає атоми.

Так, структурні формули органічних сполук етану С₂Н₆, етилену С₂Н₄  і пропану С₃Н₈  мають такий вигляд:

          H       H                                                           H     H      H

           |         |                         H                      H                    |       |        |

    H - C   -   C - H                    C  =  C                         H - C  -  C  -   C - H

           |         |                H                         H                   |       |         |

          H       H                                                           H     H      H

          Етан                         Етилен                            Пропан

Структурні формули сполук можна зображувати у спрощеній формі, вказуючи тільки зв'язки між атомами вуглецю. Наприклад, формули етану, етилену і пропану можна записати так:

       СН₃  - СН₃  ;      СН₂  = СН₂  ;    СН₃  -  СН₂  -  СН₃  .

Такий запис широко використовується в органічній хімії.

До створення теорії хімічної будови вважалося, що властивості сполук визначаються тільки їх складом. Це багато в чому правильне положення не могло пояснити явища ізомерії - прояву різних властивостей речовинами, що мають однаковий склад.Такі речовини дістали назву ізомерів. Наприклад, складу С₂Н₆О   відповідають дві органічні сполуки - етиловий спирт (етанол) і диметиловий ефір, які відрізняються за хімічними і фізичними властивостями. Наприклад, етанол реагує з натрієм (при цьому виділяється водень), має температуру кипіння 78°С; диметиловий ефір з натрієм не реагує, кипить при температурі - 24°С.

О.М.Бутлеров показав,що властивості речовин залежать від хімічної будови молекул. Отже, теорія О.М.Бутлерова пояснює явище ізомерії різним розміщенням атомів у молекулах. У прикладі з речовинами складу С₂Н₆О відмінність у їхніх властивостях зумовлено тим,що етиловий спирт і диметиловий ефір мають різну хімічну будову:

                             H         H                                                     H              H

                                                                                                                                                                                          H -  C    -   C  - O  -  H                      H  -  C  -  O  -   C  -  H                                    |          |                                              |             |                                               H        H                                             Н              Н   

Етиловий  спирт                                            Диметиловий ефір

На підставі своєї теорії О.М.Бутлеров висловив припущення про існування деяких речовин. Так, він  передбачив, що складу С₄Н₁₀   мусять виідповідати дві речовини: нормальний бутан і ізобутан. Дійсно, ним був синтезований ізобутан, що підтвердило правильність теоретичних припущень.

Атоми  в молекулах впливають один на одного, при цьому найбільш сильний взаємний вплив виявляється у сполучених безпосередньо атомів. Наприклад, до складу молекули етилового спирту входять шість атомів водню, проте лише один з них має досить високу рухливість і може бути заміщений на метал:

2C₂Н₅ОН+ 2Nа ®2 С₂Н₅ОNа + Н₂

Рухливість одного атома водню пояснюється впливом сполученого з ним атома кисню. Цей атом кисню впливає і на найближчі атоми вуглецю. Наприклад, якщо окислювати дану речовину, то зміни відбуваються лише з атомом вуглецю, який сполучений з киснем:                      С₂Н₅ОН + [ О] ® СН₃СОН+ Н₂О

Основні положення теорії хімічної будови полягають ось у чому:    1) атоми в молекулах сполучені у певній послідовності, тобто  молекули мають певну хімічну будову;                                                          

                   2) будова молекул зумовлена електронною будовою атомів, що входять до складу молекул;

                   3) властивості речовини визначаються хімічною будовою молекул та їхнім складом;

                   4) атоми в молекулах чинять взаємний вплив один на одного, тобто реакційна здатність атомів залежить від того, з якими атомами вони сполучені в молекулі.