Eine Carboxylgruppe oder Carbonsäuregruppe ist die Kombination von vier Atomen, die als Einheit fungieren: ein Kohlenstoff (C), zwei Sauerstoffatome (O) und ein Wasserstoffatom (H). Organische Chemiker schreiben normalerweise die Struktur der Carboxylgruppe einfach -COOH oder -CO2H. Für den Uneingeweihten deutet dies darauf hin, dass die beiden Sauerstoffatome miteinander verbunden oder gebunden sind, obwohl sie es nicht sind. Sauerstoff, der unmittelbar rechts von Kohlenstoff angezogen wird, teilt seine beiden Valenzelektronen mit diesem Atom und bildet eine Carbonylgruppe (-C=O). Der andere Sauerstoff bindet an denselben Kohlenstoff sowie an Wasserstoff nur durch Einfachbindungen, was zu einer Kohlenstoff-gebundenen Hydroxylgruppe (-C-OH) führt.
Organische Verbindungen mit einer oder mehreren Carboxylgruppen werden als Carbonsäuren bezeichnet. Zwei gängige Beispiele für Carbonsäuren mit einer einzelnen Carboxylgruppe sind Ameisensäure (HCOOH), die zuerst aus der Destillation von Ameisen hergestellt wird, und Essigsäure (CH3COOH), der Essig der Fermentation. Die starke Oxalsäure ist die einfachste dieser Säuren mit zwei Carboxylgruppen. Seine chemische Struktur kann als HOOC-COOH oder (COOH)2 gezeichnet werden. Sauerstoffhaltige Carbonsäuren sind in der Regel stärker als man annehmen könnte.
Dies liegt daran, dass bestimmte Faktoren die ionisierte Form oder das Carboxylat-Anion -COO- gegenüber der vereinigten Carboxylgruppe begünstigen. Beim Ausscheiden von Wasserstoff bleibt sein Elektron zurück. Obwohl es in der Natur ein Phänomen ist, dass Ladungen neutralisiert werden „wünschen“, können andere Faktoren, wie etwa Resonanz, eine geladene chemische Spezies erheblich stabilisieren. Um dies zu veranschaulichen, ist es notwendig, die Struktur der Carboxylgruppe noch einmal genauer zu betrachten.
Im Carboxylat, der an Kohlenstoff gebundenen Hydroxylgruppe, ändert sich -C-OH in -CO-. Ein freies Elektron – hier das winzige Minus oben rechts neben dem Sauerstoff, aber allein, geschrieben als e- – hat eine gewisse Bewegungsfreiheit. Es scheint über den Reaktionsmechanismus -CO- → -C=O + e- ablaufen zu können.
Umgekehrt sollte der andere Sauerstoff in der Lage sein, dieses Elektron -C=O + e- → -CO- aufzunehmen. Der Punkt ist, dass beide Sauerstoffe in dieser Umgebung, in der keiner mit einem Wasserstoffatom belastet ist, gleichwertig sind. Zumindest auf dem Papier sollte das Elektron in der Lage sein, zwischen den beiden Sauerstoffatomen zu schwingen oder hin und her zu wandern.
Logischerweise sollte diese Resonanz das Carboxylat aufgrund der Elektronendelokalisierung stabilisieren. Außerdem sollte weder Sauerstoff mit einer Einfach- noch mit einer Doppelbindung an Kohlenstoff binden. Die Länge der Anleihen sollte gleich sein und etwa einer „eineinhalb“ Anleihe entsprechen. Tatsächlich sind sie es. Für Essigsäure beträgt die Carbonyl-Sauerstoff-Kohlenstoff-Bindungslänge 1.21 und an Kohlenstoff gebundenes Hydroxyl eine Länge von 1.36 , während für Carboxylat beide Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungslängen 1.26 betragen.