Исследование амиленов. Защита магистерской диссертации. Еще в Петербурге Флавиан Михайлович начал по совету Бутлерова изучать структурные изомеры непредельных углеводородов состава C5Н10 (амиленов) для подтверждения некоторых выводов теории химического строения. Кое-какие результаты он добавил в Харькове и успешно продолжил в Казани. Проблема амиленов в то время была непроста, поскольку химики (в их числе и крупнейшие) получали их разными способами и не всегда (это выяснилось позднее) работали с достаточно очищенными продуктами, а потому наоткрывали избыточное их число и запутали номенклатуру
В 1872 г. Флавицкий показал, что так называемый «обыкновенный амилен» гидратируется при действии серной кислоты и превращается в амиловый спирт (ЖРХО и ФО. – 1872. - Т. 4. – С. 236). В 1873 г. он сделал предварительное сообщение: из амилового спирта брожения , переводя его в иодюр  и действуя затем спиртовым раствором КОН, можно синтезировать новый амилен, кипящий при 25° (его стали называть «амилен Флавицкого»). Позднее он доказал идентичность своего амилена и четырех ранее известных - это один и тот же изопропилэтилен. «Амиленгидрат Вюрца» даже Э.Эрленмейер и Г.Кольбе считали вторичным спиртом, а Флавицкий показал, что это третичный спирт со строением диметилэтилкарбинола.
В январе 1875 г. Флавиан Михайлович представил диссертацию «Об изомерии амиленов из амилового спирта брожения». В ней, наряду с химическим анализом веществ и испытанием их на запах, вкус и т.д., приведены величины вращения плоскости поляризации, сопоставлены по температурам кипения не только амилены, но и их иодюры, определены плотности и термические коэффициенты расширения тех и других. Основным выводом диссертации он считал «доказательство изомеризации, или перегруппировки, при образовании обыкновенного амилена из амильного алкоголя брожения» В ней также сказано, что перегруппировки «обусловливаются стремлением к более прочному равновесию, которое наступает при образовании наивысшего замещения с возможно большим числом метиловых групп». Вероятная причина этого - «метил представляет в жирных соединениях наиболее прочную форму соединения углерода с водородом» (с. 31 диссертации). Цитированное выше «правило Флавицкого» было позднее подтверждено термохимическими и другими данными, получило развитие у А.Е.Фаворского. В целом диссертация, выполненная на бутлеровскую тему, представляла в то время «весьма оригинальное и выдающееся достижение» , послужила основанием для исследований Е.Лебедева, А.П.Эльтекова, А.Н.Вышнеградского и др. Вслед за Флавицким разработкой стереохимических проблем занялись в Казани И.И.Канонников и А.А.Альбицкий, так что Флавицкий был пионером создания в Казани научного центра таких исследований.
А.М.Зайцев диссертацию одобрил, 2 февраля на факультете прошла ее блестящая защита, а 8 марта Ф.М.Флавицкий стал уже магистром химии. Однако место доцента в университете было свободно только на медицинском факультете, где учебный процесс плохо обеспечен. Оба факультета предложили занять эту вакансию Флавицкому, причем вначале он должен был преподавать только аналитическую химию на 1 курсе с включением некоторых вопросов неорганической химии. С 30 апреля 1875 г. по 1883/84 учебный год молодой доцент обучал медиков аналитической химии.
В это же время Флавицкий, продолжая исследования по органической химии, пришел к ценным, заинтересовавшим Бутлерова наблюдениям по части гликолей. На их основе он предполагал за год сделать докторскую диссертацию: «...Если удастся один опыт окисления, то вся диссертация будет как на ладони» (из письма 1876 г.) В сентябре этого же года на 5-м съезде русских естествоиспытателей и врачей в Варшаве Флавиан Михайлович представил три доклада. В марте 1878 г., получив от Флавицкото статью, Бутлеров написал в ответ: «Законность в окислении гликолов очень интересна... В изучении подобных вопросов, может быть, лежит именно тот ближайший толчок к изменению и дополнению, которые должна получить теория строения в будущем» . Однако Зайцев отклонил попытку ученого представить диссертацию о гликолях.
Весной 1876 г. университет проводил конкурс на замещение «второй кафедры химии»  с целью заменить Г.Н.Глинского, временно читавшего курс неорганической химии, явно не соответствуя этой обязанности. Ф.М.Флавицкий намеревался конкурировать с ним, но избрали все же Глинского.
В эти годы у молодого доцента была огромная педагогическая нагрузка. Так, весной 1876 г. ему предстояло экзаменовать до 300 студентов. До 1890 г. в его распоряжении имелся лишь один лаборант - провизор П.Крылов, хорошо помогавший ему и в научной работе, затем добавили сверхштатного лаборанта. 14 ноября 1881 г. он сообщал родным: «Обыкновенно 2 дня в неделю уходят на лекции, да 2 дня на занятия со студентами I курса, которых более 130 человек. В остальное время... 14 фармацевтов... и столько же 2-го курса... Вообще обстановка скверная и не соответствует потребностям преподавания». Ф.М.Флавицкий читал студентам курсы физической химии (в 1873-1875 гг. и с 1884 г.), аналитической химии (с 1875 г.) и неорганической химии (с 1884 и до 1917 г.). С 1884 г. он преподавал также в Ветеринарном институте, где заведовал кафедрой химии и читал курсы аналитической (по 1878 г.), неорганической (до 1904 г.) и органической (по 1912 г.) химии. В качестве основных пособий по неорганической химии он рекомендовал студентам свою «Общую или неорганическую химию», «Основы химии» Д.И.Менделеева и учебник А.И.Горбова «Химические элементы и их простейшие соединения», ч. I. Металлоиды (СПб., 1908). По словам Л.А.Чугаева, примерно с начала XX века часто встречавшегося с Флавицким на научных съездах и заседаниях, Флавиан Михайлович «в течение всей своей долгой профессорской деятельности почти не пропускал лекций, ...необыкновенно добросовестно относился он и к экзаменам и глубоко огорчался неудовлетворительными ответами студентов» (Природа. – 1918. -№ 2-3. - Стб. 210). В 1886 г. он писал: «Лекции по неорганической химии составляю вновь, чтобы... лучше подать их». В 1891 г. он выпустил в Казани литографированный «Курс неорганической химии», в 1894, 1898 и 1907 гг. - издания «Общей или неорганической химии» В учебнике 1907 г. было 510 страниц, он богато иллюстрирован изображениями отдельных приборов и установок в действии, опыты подробно пояснены в тексте. Учебник студентам нравился. Печатная «Программа» 1908 г. показывает, что от студента требовалось знание не всего учебника.