Un gruppo carbossilico, o gruppo acido carbossilico, è la combinazione di quattro atomi che agiscono come un’unità: un carbonio (C), due ossigeni (O) e un idrogeno (H). I chimici organici normalmente scrivono la struttura del gruppo carbossilico semplicemente -COOH, o -CO2H. Per chi non lo sapesse, questo suggerisce che i due atomi di ossigeno sono collegati o legati l’uno all’altro, anche se non lo sono. L’ossigeno attratto all’immediata destra del carbonio condivide entrambi i suoi elettroni di valenza con quell’atomo, formando un gruppo carbonilico (-C=O). L’altro ossigeno si lega allo stesso carbonio e all’idrogeno solo tramite legami singoli, risultando in un gruppo ossidrile legato al carbonio (-C-OH).
I composti organici contenenti uno o più gruppi carbossilici sono chiamati acidi carbossilici. Due esempi comuni di acidi carbossilici a gruppo carbossilico singolo sono l’acido formico (HCOOH), preparato per la prima volta dalla distillazione delle formiche, e l’acido acetico (CH3COOH), l’aceto di fermentazione. Il potente acido ossalico è il più semplice di quegli acidi con due gruppi carbossilici. La sua struttura chimica può essere disegnata come HOOC-COOH o (COOH)2. Gli acidi carbossilici contenenti ossigeno sono generalmente più forti di quanto si possa supporre.
Questo perché alcuni fattori favoriscono la forma ionizzata, o anione carbossilato, -COO-, rispetto al gruppo carbossilico unito. Quando l’idrogeno parte, il suo elettrone rimane indietro. Sebbene sia un fenomeno in natura che la carica “desidera” essere neutralizzata, altri fattori, come la risonanza, possono stabilizzare considerevolmente una specie chimica carica. Per visualizzare ciò, è necessario considerare ancora una volta la struttura del gruppo carbossilico a un livello più dettagliato.
Nel carbossilato, il gruppo ossidrile legato al carbonio, -C-OH, cambia in -CO-. Un elettrone libero – qui, il minuscolo meno disegnato in alto a destra dell’ossigeno, ma da solo, scritto come e- – ha una certa libertà di movimento. Sembrerebbe poter partire tramite il meccanismo di reazione -CO- → -C=O + e-.
Al contrario, l’altro ossigeno dovrebbe essere in grado di captare quell’elettrone -C=O + e- → -CO-. Il punto è che entrambi gli ossigeni sono equivalenti in questo ambiente, in cui nessuno dei due è ingombrato da un atomo di idrogeno. Almeno sulla carta, l’elettrone dovrebbe essere in grado di risuonare, o viaggiare avanti e indietro, tra i due atomi di ossigeno.
Logicamente, questa risonanza dovrebbe stabilizzare il carbossilato a causa della delocalizzazione dell’elettrone. Inoltre, né l’ossigeno dovrebbe legarsi al carbonio né con un legame singolo né con un doppio legame. La lunghezza dei legami dovrebbe essere uguale ed essere qualcosa come un legame “uno e mezzo”. In effetti, lo sono. Per l’acido acetico, la lunghezza del legame carbonio-ossigeno-carbonio è 1.21Å e l’idrossile attaccato al carbonio ha una lunghezza di 1.36Å, mentre per il carbossilato, entrambe le lunghezze del legame carbonio-ossigeno sono 1.26Å.