La cafeína es la 1,3,7-trimetilxantina, de fórmula C₈H₁₀N₄O₂, un alcaloide del grupo de las purinas, emparentado con la teobromina del cacao (dimetilxantina) y con la teofilina del té. Fue aislada del café en 1819-1820 por el químico alemán Friedlieb Ferdinand Runge; los documentos de formación retienen 1820, año de publicación. A lo largo del siglo XIX se la encuentra en el té (donde primero se la bautiza teína), el guaraná, la nuez de cola y el mate: es la misma molécula en todas partes.

Pura, forma largas agujas blancas y sedosas, se funde hacia los 235 °C, se sublima desde los 140 °C, y se disuelve bien en agua caliente, poco en alcohol y muy poco en éter. Ukers refiere en 1922 que, según Gorter, la cafeína del grano verde no está libre sino unida al ácido clorogénico en un complejo soluble en agua, de ahí la dificultad para extraerla con solventes orgánicos mientras ese complejo no se haya disociado: toda la historia de la descafeinización cabe en ese detalle químico.

Ukers 1922, cap. XVIII (p. 174-188); documento de formación profesional, Caféine et procédés de décaféination, p. 2; LC cap. 19

Ukers describe también las primeras herramientas de medición: la prueba de Viehoever, que sublima la cafeína directamente fuera del tejido vegetal en un pequeño aparato e identifica sus cristales al microscopio, y las determinaciones gravimétricas por extracción con cloroformo que alimentan sus tablas II y III. Señala que en 1922 algunos industriales ya recuperan la cafeína de los polvos de las chimeneas de las tostadoras. Hoy el contenido se mide por cromatografía líquida de alta resolución (CLAR o HPLC) con detección ultravioleta a 272-280 nm; la norma ISO 20481 (2008) fija el método para el café verde, tostado, soluble y descafeinado, con extracción en agua caliente y patrón interno. Es ese el método que citan las fichas técnicas de los descafeinadores cuando anuncian un 99,9 % de cafeína retirada.

Ukers 1922, cap. XVIII, tablas II y III; ISO 20481:2008, Café y productos a base de café, determinación del contenido de cafeína por CLAR