En karboxylgrupp, eller karboxylsyragrupp, är kombinationen av fyra atomer som fungerar som en enhet: ett kol (C), två syre (O) och ett väte (H). Organiska kemister skriver vanligtvis strukturen för karboxylgruppen helt enkelt -COOH eller -CO2H. För den oinvigde tyder detta på att de två syreatomerna är anslutna eller bundna till varandra, även om de inte är det. Syre som dras till höger om kol delar båda sina valenselektroner med den atomen och bildar en karbonylgrupp (-C=O). Det andra syret fäster till samma kol såväl som till väte endast genom enkelbindningar, vilket resulterar i en kol-bunden hydroxylgrupp (-C-OH).
Organiska föreningar som innehåller en eller flera karboxylgrupper kallas karboxylsyror. Två vanliga exempel på karboxylsyror med en enda karboxylgrupp är myrsyra (HCOOH), först framställd från destillation av myror, och ättiksyra (CH3COOH), jäsningsvinägern. Den kraftfulla oxalsyran är den enklaste av dessa syror med två karboxylgrupper. Dess kemiska struktur kan ritas som HOOC-COOH, eller (COOH)2. Syrehaltiga karboxylsyror är vanligtvis starkare än man kan tro.
Detta beror på att vissa faktorer gynnar den joniserade formen, eller karboxylatanjonen, -COO-, framför den förenade karboxylgruppen. När väte försvinner blir dess elektron kvar. Även om det är ett fenomen i naturen som laddning ”önskar” neutraliseras, kan andra faktorer, såsom resonans, stabilisera en laddad kemisk art avsevärt. För att visualisera detta är det nödvändigt att återigen överväga strukturen av karboxylgruppen på en mer detaljerad nivå.
I karboxylat ändras den kolbundna hydroxylgruppen, -C-OH till -CO-. En fri elektron – här, den lilla minus som ritas uppe till höger om syret, men ensam, skriven som e- – har viss frihet att röra sig. Den verkar kunna avvika via reaktionsmekanismen -CO- → -C=O + e-.
Omvänt borde det andra syret kunna ta upp den där elektronen -C=O + e- → -CO-. Poängen är att båda syrgaserna är ekvivalenta i denna miljö, där ingen av dem är behäftad med en väteatom. Åtminstone på pappret borde elektronen kunna resonera, eller färdas fram och tillbaka, mellan de två syreatomerna.
Logiskt sett borde denna resonans stabilisera karboxylat på grund av elektrondelokaliseringen. Dessutom bör inget syre binda till kol med vare sig en enkel- eller dubbelbindning. Längden på bindningarna ska vara lika och vara ungefär en ”en och en halv” bindning. Det är de faktiskt. För ättiksyra är karbonylsyre-till-kol-bindningslängden 1.21Å och kol-fäst hydroxyl har en längd av 1.36Å, medan för karboxylat är båda kol-till-syrebindningslängderna 1.26Å.