Kofeiini (myös nimillä guaraniini, teiini sekä mateiini) on ksantiinijohdannainen, jolla on stimulatiivisia ja väsymystä vähentäviä vaikutuksia. Se on yksi maailman käytetyimmistä päihteistä. Sitä on luontaisesti yli 60:ssä kasvilajissa, joista osasta tehdään ruokia ja juomia, kuten kahvia ja teetä. Kofeiinin tai näiden kofeiinipitoisten elintarvikkeiden käyttö voi lisätä energisyyttä tai valppautta tai vähentää uneliaisuutta usean tunnin ajaksi. Isot annokset taas voivat aiheuttaa esimerkiksi ahdistusta, pahoinvointia tai vapinaa. Vakavat kofeiinin aiheuttamat sivuvaikutukset ovat harvinaisia, ja tappavat yliannostukset ovat usein itsemurhia vahinkojen sijaan.
Ihmisissä kofeiini vaikuttaa sitoutumalla aivojen ja muun kehon A1- ja A2A-adenosiinireseptoreihin antagonistina. Adenosiinia kertyy valveilla oltaessa aivoihin, lähinnä etuaivojen pohjaan, joissa se aiheuttaa uneliaisuutta sitoutumalla näihin reseptoreihin agonistina. Kofeiini vie siis adenosiinin sitoutumispaikan näissä reseptoreissa estäen adenosiinia aktivoimasta niitä. Kofeiinilla on muitakin vaikutuksia. Se esimerkiksi tehostaa synapsirakoihin vapautuneen dopamiinin vaikutusta adenosiinireseptorivälitteisesti.
Alle 400 milligramman vuorokausiannoksia (mg/vrk) kofeiinia voidaan pitää turvallisina aikuisille. Tätä isommat annokset saattavat pitkäaikaiskäytössä aiheuttaa erinäisiä terveyshaittoja, kuten univaikeuksia. Alle 200 mg/vrk käytöstä ei ole vaaraa raskauden tai imetyksen aikana sikiölle tai imetettävälle lapselle. Taas yli 300 mg/vrk käyttö raskauden aikana lisää muun muassa keskenmenon ja keskosuuden riskiä. Aikuisilla kofeiinin säännöllisen käytön on havaittu liittyvän alentuneeseen Parkinsonin taudin ilmenemisriskiin.
Historia pienoiskuva|200px|Friedrich F. Runge. Ihmiset ovat käyttäneet kofeiinia sisältäviä kasveja piristeinä jo tuhansien vuosien ajan. Varhaisimmat todisteet esimerkiksi teen juonnista ovat nykyisen Kiinan alueelta noin vuodelta 2100 ennen ajanlaskun alkua. Kofeiinin eristi ensimmäisenä saksalaiskemisti Friedrich Ferdinand Runge (elänyt vuosina 1795–1865) vuonna 1819 Jenan yliopistossa raaoista kahvipavuista Johann Wolfgang von Goethen toiveesta. Runge kutsui eristämäänsä ainetta nimellä "coffein" ja "kaffebase".
Rungen työstä tietämättä Pierre-Jean Robiquet (1780–1840), joka tunnetaan muun muassa kodeiinin eristämisestä, eristi kofeiinin vuonna 1821. Joseph Bienaimé Caventou (1795–1877) yhdessä Joseph Pelletierin (1788–1842) kanssa ilmoittivat 1826 eristäneensä kofeiinin itsenäisesti likimain samaan aikaan kuin Robiquet. Seuraavina vuosikymmeninä kofeiini eristettiin kahvin lisäksi ensi kerran myös muista kasveista ja välillä se "löydettiin uudelleen". Esimerkiksi vuonna 1826 T. Martius eristi ensimmäisenä "guaraniinin" guaranan siemenistä, 1827 V. Oudry eristi "teiinin" teen lehdistä ja 1836 B. Trommsdorff eristi uudeksi luulemansa aineen mateen lehdistä. 1838 C. J. Mulder ja C. Jobst osoittivat teiinin, 1840 Martius, Berthemot ja Dechastelus osoittivat guaraniinin, ja 1843 J. Stenhouse osoitti Trommsdorffin aineen olevan samoja aineita kuin kofeiini. 1865 W. F. Daniell eristi kofeiinia ensi kerran kolapähkinöistä ja 1882 E. Schmidt eristi sitä kaakaopuun pavuista. vasen|pienoiskuva|200px|Christoph H. Pfaff Vuonna 1832 Christoph Heinrich Pfaff (1773–1852) ja Justus von Liebig selvittivät kofeiinin oikean empiirisen kaavan. 1875 Ludwig Medicus (1847–1915) päätteli kofeiinin ja usean muun puriinin oikeat rakennekaavat virtsahappoon pohjautuvien kokeiden avulla osana tohtoriksi valmistumistaan. pienoiskuva|200px|Ludwig Medicus. Hermann Emil Fischer epäili Medicuksen esittämän rakenteen oikeellisuutta, sillä se oli päätelty teoreettisesti, mikä oli tuon ajan kemian tutkimukselle hyvin poikkeuksellista. Siksi Fischer aloitti kofeiinia ja muita puriineita koskevat tutkimuksensa vuonna 1881. Fischer ja L. Ach syntetisoivat kofeiinin jo 1895 Humboldt-yliopistossa, mutta he esittivät sen rakenteen väärin. Medicuksen esittämä rakenne osoittautui lopulta oikeaksi vasta vuonna 1897 Fischerin samassa yliopistossa suorittamissa kokeissa.
Bradykardian, verisuonten laajenemisen ja muut adenosiinin vaikutukset eläimissä havaitsivat ensi kerran Albert Szent-Györgyi ja A. N. Drury vuonna 1929. Silti vasta 1960-luvulla saatiin varsinaisia todisteita adenosiinireseptorien olemassaolosta ja siitä, että niitä on ainakin sydämessä. Tuolloin myös joidenkin metyyliksantiinien, kuten kofeiinin ja teofylliinin, todettiin olevan ilmeisesti näiden reseptorien antagonisteja. Vuonna 1970 A. Sattin ja T. W. Rall esittivät ensimmäiset todisteet adenosiinireseptorien läsnäolosta myös keskushermostossa, ja että teofylliini on niiden antagonisti. Sattin ja Rallin havainnoista myös kofeiinin voitiin päätellä aikaansaavan keskushermosto- eli päihdevaikutuksensa adenosiinireseptoriantagonismin kautta. Viimeistään 1970-luvun lopulla tämä päätelmä oli laajalti hyväksytty eri tutkimuksista kertyneiden todisteiden takia. Itse asiassa tähän mennessä adenosiinireseptoreita oli jo alettu jakamaan alaryhmiin, kuten A1- ja A2-adenosiinireseptoreihin.
Kemialliset ominaisuudet pienoiskuva|Kofeiinin anhydridiä. Kofeiini on värittömiä, hajuttomia ja kitkeränmakuisia kiteitä tuottava ksantiinijohdannainen.Caballero, Caffeine: characterization and properties, s. 556-572 Vedestä uudelleenkiteytettynä se tuottaa monohydraatin, ja on anhydridi esimerkiksi etanolista, kloroformista tai dietyylieetteristä kiteytettynä. Kofeiinin anhydridin CAS-numero on 58-08-2 ja monohydraatin 5743-12-4. Monohydraatin vesi haihtuu hitaasti huoneenlämmössä muuntuen anhydridiksi 80 °C:ssa. Monohydraatin tiheys on 1.45 g/cm3 (25 °C:ssa). Kofeiinin sulamispiste on 230–239 °C. Se sublimoituu jo 178 °C:ssa. Syövyttävien emästen väkevät liuokset hajottavat sitä. Kofeiinianhydridi on runsasliukoinen pyrroliin ja tetrahydrofuraaniin, ja liukoinen etyyliasetaattiin. Kofeiinin liukoisuus 100 ml:aan vettä on 0.2 g 20 °C:ssa ja 182 g 80 °C:ssa. 25 °C:ssa kofeiinin pKA on 14 ja 40 °C:ssa 10,4. Esimerkki kofeiinin muodostamasta suolasta on kofeiinisitraatti.
Valmistaminen Puhdasta kofeiinia saadaan synteettisesti tai uuttamalla kasveista. Uutettuna sitä saadaan usein sivutuotteena osana kofeiinittomien elintarvikkeiden tuottoa. Vuosina 2000 ja 2011 pääosa maailmassa elintarvikkeisiin ja muihin tarkoituksiin käytetystä puhtaasta kofeiinista oli synteettistä. Vuonna 1999 puhdasta kofeiinia tuotettiin maailmassa arviolta 10 000–15 000 tonnia.
Synteesi Kofeiinia saadaan esimerkiksi urasiilista vuonna 2003 kehitetyssä Zajac-synteesissä. Tässä urasiilin amiinit metyloidaan ja saadun 1,3-dimetyyliurasiilin hiilten väliseen kaksoissidokseen liitetään nitrosoryhmä (-N=O) esimerkiksi natriumnitriittikäsittelyn avulla. Nitrosoryhmä pelkistetään amiiniksi, joka asyloidaan muurahaishapolla. Kaksoissidoksen toiseen vapaaseen hiileen liitetään vielä nitrosoryhmä. Tämä ja muurahaishapon karbonyyli pelkistetään. Ne tuottavat molekyylin sisäisessä kondensaatioreaktiossa viisijäsenisen rengasrakenteen. Saatu tuote on teofylliini, jonka renkaan amiini metyloidaan. Täten saadaan kofeiinia. pienoiskuva|Traube-synteesi. Kofeiinia on tuotettu myös vuonna 1900 kehitetyllä Traube-synteesillä, mutta siinä on uusiin synteeseihin verrattuna huono saanto. Traube-synteesissä 1,3-dimetyyliurean ja syanoetikkahapon välisessä reaktiossa saadun kuusijäsenisen renkaan primääriseen amiiniin liitetään muurahaishappo. Muurahaishappo suljetaan viisijäseniseksi renkaaksi edellä kuvaillun Zajac-synteesin kaltaisten nitrosoryhmiä tuottavien reaktioiden ja pelkistysreaktioiden kautta. Siten saatu teofylliini metyloidaan kofeiiniksi.
Uutto Kofeiini uutetaan kasveista orgaanisilla aineilla, kuumalla vedellä tai ylikriittisellä hiilidioksidilla. Täten saadaan kofeiinittomia ruokia ja kofeiinia, jota voidaan lisätä vaikkapa elintarvikkeisiin. Esimerkiksi kahvipavuista kofeiini uutetaan niiden ollessa raakoja eli paahtamattomia. Täten niistä ei poistu paahdossa kahville aromin antavia aineita. 1970-luvulle asti kahvin uutossa orgaanisena liuottimena käytettiin pääosin trikloorietyleeniä. Tämä korvattiin karsinogeenisuutensa takia lähinnä dikloorimetaanilla ja etyyliasetaatilla, joiden käyttö liuottimina on edelleen yleistä. Vesiuutossa taas käytetään uuton vanhaa vettä. Vedessä on siksi kahvin aromiaineita, mutta siitä on sakkautettu kofeiini ulos sen lämpötilaan perustuvan liukoisuuden avulla. Tällöin tasapainoreaktioon perustuen aromit eivät liukene pois pavuista kierrätettyyn veteen, jossa aromeita on jo paljon.
Käyttö Päihdekäyttö Kofeiinia käytetään heikkotehoisena stimulanttina yleensä eri ruokien muodossa. Maailmassa yleisimmin käytettyjä kasveja, joissa on stimulanttivaikutuksen kannalta merkittävästi kofeiinia, ovat kongonkahvin ja arabiankahvin pavut, ja teepensaan lehdet. Muita vähemmän käytettyjä kofeiinipitoisia kasveja ovat mateepuun lehdet, kolapähkinät ja guaranan siemenet. Näistä valmistetaan lähinnä juomia, kuten kahvia, teetä, mateeta ja kolajuomia. Kolapähkinöitä myös syödään. Kaakaopuun pavuissa on vähemmän kofeiinia kuin edeltävissä kasveissa, mutta kaakaopohjaiset ruuat, kuten suklaa, voivat olla merkittävä kofeiinilähde eritoten lapsilla. Kofeiinia käytetään myös energiajuomien ja kofeiinitablettien muodossa.
Lääkekäyttö Kofeiinia käytetään lääkkeenä lähinnä kofeiinisitraattina. Suomessa sitraattisuolaa annetaan keskosille hengityskatkosten hoitoon infuusiona.Ihmisille tarkoitettujen lääkevalmisteiden valmisteyhteenvedot ATC-koodin perusteella: N06BC01 Fimea. Kofeiinia lisätään myös osaan asetyylisalisyylihappo-, ibuprofeeni- ja parasetamolipohjaisista lääkkeistä lisäämään niiden kipua poistavaa vaikutusta.
Dopingkäyttö Kofeiinia voidaan käyttää dopingaineena, joka parantaa kestävyyttä, anaerobista suoritusta ja voimaa. Kofeiini oli vuodesta 1984 asti WADA:n kiellettyjen dopingaineiden listalta, josta se poistettiin 1. tammikuuta 2004. Syytä muutokselle WADA ei kertonut. Nykyisin se on WADA:n seurattavien aineiden listalla. Kofeiinin pitoisuuksia seurataan muun muassa urheilijoiden virtsanäytteissä väärinkäytön varalta. Laajan väärinkäytön havaitseminen urheilijapiireissä voisi johtaa sen palauttamiseen kiellettyjen aineiden listalle.
Pitoisuudet elintarvikkeissa ja kasveissa Alla on taulukoituna joidenkin elintarvikkeiden tyypillisiä kofeiinipitoisuuksia. Elintarvikkeiden kofeiinipitoisuudet vaihtelevat niiden valmistustavoista riippuen. Esimerkiksi eri teelaatujen kohdalla pidempi teelehtien haudutusaika lisää merkittävästi valmiin juoman kofeiinipitoisuutta. +Milligrammaa kofeiinia sadassa grammassa tai millilitrassa elintarvikettaRuokamg/100 g tai
mg/100 mlEspresso71,3–191,6Kahvi (juoma)32,0–69,0Kolajuomat7,9–13,0Maitosuklaa7,9–13,0Musta tee (juoma)20,7–22,0Tumma suklaa34,0–65,0Vihreä tee (juoma)15,1–19,8 Alle on myös taulukoitu kasvien luontaisia kofeiinipitoisuuksia. Sitä on paljon monissa Coffea-suvun kasveissa ja joissain Camellia-kasveissa. Jälkimmäisessä sitä on lähinnä Camellia sinensis-, Camellia assamica- ja Camellia taliensis -kasveissa. Sitä on paljon myös guaranan (Paullinia cupana) siemenissä, Cola-kolapähkinöissä ja joissain Ilex-kasvien lehdissä. Sitä on vähän myös Citrus-kasvien kukissa. +Milligrammaa kofeiinia sadassa grammassa tiettyä kasvin osaaKasviOsamg/100 gLähdeCamellia japonicatuore lehti1,91–51,36Camellia oleiferatuore lehti15,24Camellia sasanquatuore lehti12,6Camellia sinensis (teepensas)tuore lehti449,67Camellia tenuifoliatuore lehti51,36Coffea arabica (arabiankahvi)paahtamaton kuivattu papu1344,5–1670,5Coffea canephora (kongonkahvi)paahtamaton kuivattu papu2428,3–2908,5Coffea liberica (liberiankahvi)paahtamaton kuivattu papu1360Cola acuminatatuore siemen790,0–1423,2Cola anomalatuore siemen464,4–938,2Cola nitidatuore siemen11033–1648,9Ilex guayusakuivattu lehti1877–1939Ilex paraguariensis (matee)kuivattu lehti500–1500Paullinia cupana (guarana)kuivattu siemen3293–3545Theobroma cacao (kaakaopuu)papu200
Vaikutukset Akuutit vaikutukset