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Wöhler gilt als Pionier der organischen Chemie wegen seiner Synthese von Oxalsäure durch Hydrolyse von Dicyan 1824^[1] und von Harnstoff aus Ammoniumcyanat am 22. Februar 1828.^[2] Diese Synthesen eröffneten das Feld der Biochemie, da zum ersten Mal Stoffe, die bisher nur von lebenden Organismen bekannt waren, aus „unbelebter“ Materie künstlich erzeugt werden konnten. Diese In-vitro-Synthesen wurden zunächst von den Chemikern kaum wahrgenommen. Mit zunehmendem Erfolg der Chemiker auf dem Gebiet der organischen Synthesechemie sah man aber Wöhlers Synthese als Beginn dieses Zweiges der Chemie an, womit sich rund um die Harnstoffsynthese geradezu ein „Schöpfungsmythos“ der organischen Chemie entwickelte, der bis heute in vielen Chemielehrbüchern, aber auch historischen Darstellungen zu finden ist. Die damit verbundene These, Wöhler habe mit seiner Synthese die Theorie des Vitalismus widerlegt, also die Anschauung, dass eine transzendente Lebenskraft (vis vitalis) zur Erzeugung organischer Stoffe unabdingbar sei, trifft jedoch nicht zu. Richtig ist vielmehr, dass mit der Harnstoff-Synthese der Anstoß für weitere Untersuchungen gegeben wurde und so das Konzept der Lebenskraft für die Chemie zusehends bedeutungslos wurde. Seine Oxalsäure-Synthese aus Dicyan fand lange Zeit überhaupt keine Beachtung.

Schon ein Jahr zuvor, 1827, hatte er eine Reduktionsmethode zur Herstellung von reinem Aluminium entwickelt (Wöhler-Prozess);^[3] mit dem gleichen Verfahren gelang ihm 1828 die Isolierung von Beryllium und Yttrium sowie 1856 die Darstellung von kristallinem Silicium.

Wöhler war eng befreundet mit Justus von Liebig, mit dem zusammen er um 1830 in Gießen die Radikaltheorie begründete. Mit dieser konnte erstmals die große Vielfalt organisch-chemischer Verbindungen systematisch erklärt werden (siehe auch Geschichte der Substitutionsreaktion).

Schüler von Wöhler wie Ernst Schulze legten mit ihren pflanzenchemischen Untersuchungen einen weiteren Grundstein zur Etablierung der Biochemie als einen eigenen Wissenschaftszweig und zählen heute gemeinsam mit Wöhler zu deren Begründern (siehe auch Biochemie).

Besondere kulturhistorische Dokumente sind die Briefwechsel zwischen ihm und befreundeten Wissenschaftlern.^[4]

Wöhler ist auch bekannt als Entdecker der Synthese von Calciumcarbid (1862, identifizierte auch dessen Hydrolyseprodukt Ethin), von Benzoesäure aus Benzaldehyd und von Hydrochinon aus Chinon. Ferner gelang ihm die Isolierung von Nickel aus Nickelarsenid.