Karboksilna skupina ali skupina karboksilne kisline je kombinacija štirih atomov, ki delujejo kot enota: enega ogljika (C), dveh kisikov (O) in enega vodika (H). Organski kemiki običajno zapišejo strukturo karboksilne skupine preprosto -COOH ali -CO2H. Za nepoučene to nakazuje, da sta dva atoma kisika povezana ali vezana drug na drugega, čeprav nista. Kisik, vlečen neposredno desno od ogljika, si s tem atomom deli oba svoja valenčna elektrona in tvori karbonilno skupino (-C=O). Drugi kisik se na isti ogljik kot tudi na vodik veže samo z enojnimi vezmi, kar ima za posledico hidroksilno skupino, vezano na ogljik (-C-OH).
Organske spojine, ki vsebujejo eno ali več karboksilnih skupin, imenujemo karboksilne kisline. Dva pogosta primera karboksilnih kislin z enojno karboksilno skupino sta mravljinčna kislina (HCOOH), najprej pripravljena z destilacijo mravelj, in ocetna kislina (CH3COOH), kis fermentacije. Močna oksalna kislina je najpreprostejša izmed tistih kislin z dvema karboksilnima skupinama. Njegovo kemično strukturo lahko narišemo kot HOOC-COOH ali (COOH)2. Karboksilne kisline, ki vsebujejo kisik, so običajno močnejše, kot bi lahko domnevali.
To je zato, ker nekateri dejavniki dajejo prednost ionizirani obliki ali karboksilatnemu anionu, -COO-, pred združeno karboksilno skupino. Ko vodik odide, njegov elektron ostane zadaj. Čeprav je v naravi pojav, da se naboj “želi” nevtralizirati, lahko drugi dejavniki, kot je resonanca, znatno stabilizirajo nabito kemično vrsto. Za vizualizacijo tega je potrebno še enkrat podrobneje razmisliti o strukturi karboksilne skupine.
V karboksilatu se hidroksilna skupina, vezana na ogljik, -C-OH, spremeni v -CO-. Prosti elektron – tukaj je majhen minus, narisan v zgornjem desnem kotu kisika, vendar sam, zapisan kot e- – ima nekaj svobode pri gibanju. Zdi se, da lahko odide prek reakcijskega mehanizma -CO- → -C=O + e-.
Nasprotno, drugi kisik bi moral biti sposoben pobrati ta elektron -C=O + e- → -CO-. Bistvo je, da sta oba kisika enakovredna v tem okolju, v katerem nobeden ni obremenjen z atomom vodika. Vsaj na papirju bi moral biti elektron sposoben resonirati ali potovati naprej in nazaj med obema atomoma kisika.
Logično bi morala ta resonanca stabilizirati karboksilat zaradi delokalizacije elektronov. Poleg tega se noben kisik ne bi smel vezati na ogljik z enojno ali dvojno vezjo. Dolžina vezi mora biti enaka in biti nekaj takega kot vez “ena in pol”. Pravzaprav so. Za ocetno kislino je dolžina vezi karbonil kisik-ogljik 1.21 Å in hidroksil, vezan na ogljik, ima dolžino 1.36 Å, medtem ko sta za karboksilat obe dolžini vezi ogljik-kisik 1.26 Å.