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알코올과 에테르에 관한 연구로 유기분자 구조를 밝혔다. 1849~87년 런던에 있는 유니버시티 칼리지의 교수를 지냈다. 1850년 그는 에테르와 알코올 간의 구조적 연관성, 즉 알코올의 산소원자는 탄화수소기와 수소원자에 각각 결합되어 있는 반면, 에테르의 산소원자는 2개의 탄화수소기와 결합되어 있다는 것을 발견했다.

그는 연구를 계속하여 가역반응에 관해 설명했다. 그는 또한 서로 반대로 진행되는 두 반응의 반응속도가 같아져서 결국 각 반응물의 농도는 변하지 않는 동적 평형상태가 되는 것에 대해 처음으로 설명했다. 1854년 그는 알코올에서 에테르가 만들어지는 과정을 설명했으며, 촉매로 산이 필요한 이유를 밝혔다. 촉매작용이 명확히 설명되기는 이것이 처음이었다.

그는 또한 혼성 에테르(2종류의 서로 다른 탄화수소기를 포함하고 있는 에테르)를 만드는 윌리엄슨 합성법을 개발했다.