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1927 promovierte Butenandt bei Adolf Windaus (Nobelpreis 1928) in Göttingen, nach der Habilitation 1931 wurde er Leiter der organischen und biochemischen Abteilung des Allgemeinen Chemischlen Labors der Universität Göttingen. 1933 folgte er einem Ruf als ordentlicher Professor an die Technische Hochschule Danzig. 1936 ging er nach Berlin-Dahlem als Direktor des Kaiser Wilhelm-Instituts für Biochemie, das nach dem 2. Weltkrieg in Max-Planck-Institut für Biochemie umbenannt wurde und nach Tübingen und 1956 nach München verlegt wurde. Als Nachfolger des Nobelpreisträgers Otto Hahn war er 1960 bis 1971 Präsident der Max-Planck-Gesellschaft.
Ab Ende der 20er Jahre war Butenandt entscheidend an der Isolierung und Konstitutionsermittlung der weiblichen und männlichen Sexualhormone beteiligt. Nachdem er auch das Schwangerschaftshormon Progesteron isoliert hatte, bestimmte er 1935 die Konstitution der Geschlechtshormone.
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