Karboksyyliryhmä tai karboksyylihapporyhmä on yhdistelmä neljästä atomista, jotka toimivat yhtenä yksikkönä: yksi hiili (C), kaksi happea (O) ja yksi vety (H). Orgaaniset kemistit kirjoittavat tavallisesti karboksyyliryhmän rakenteen yksinkertaisesti -COOH tai -CO2H. Aloittamattomille tämä viittaa siihen, että kaksi happiatomia ovat yhteydessä tai sitoutuneet toisiinsa, vaikka ne eivät olekaan. Hiilen välittömälle oikealle vetämä happi jakaa molemmat valenssielektronit kyseisen atomin kanssa muodostaen karbonyyliryhmän (-C = O). Toinen happi sitoutuu samaan hiileen sekä veteen vain yksittäissidoksilla, jolloin saadaan hiiliin sitoutunut hydroksyyliryhmä (-C-OH).
Orgaanisia yhdisteitä, jotka sisältävät yhden tai useamman karboksyyliryhmän, kutsutaan karboksyylihapoiksi. Kaksi yleistä esimerkkiä yksittäisistä karboksyyliryhmän karboksyylihapoista ovat muurahaishappo (HCOOH), joka valmistettiin ensin muurahaisten tislauksesta, ja etikkahappo (CH3COOH), käymisen etikka. Tehokas oksaalihappo on yksinkertaisin niistä hapoista, joissa on kaksi karboksyyliryhmää. Sen kemiallinen rakenne voidaan piirtää muodossa HOOC-COOH tai (COOH) 2. Happea sisältävät karboksyylihapot ovat yleensä vahvempia kuin voisi olettaa.
Tämä johtuu siitä, että tietyt tekijät suosivat ionisoitua muotoa tai karboksylaattianionia, -COO-, yhdistettyyn karboksyyliryhmään nähden. Kun vety poistuu, sen elektroni jää taakse. Vaikka se on luonteeltaan ilmiö, joka lataa “halu” neutraloitua, muut tekijät, kuten resonanssi, voivat vakauttaa varautuneen kemiallisen lajin huomattavasti. Tämän visualisoimiseksi on jälleen tarkasteltava karboksyyliryhmän rakennetta yksityiskohtaisemmin.
Karboksylaatissa hiiliin sitoutunut hydroksyyliryhmä -C-OH muuttuu -CO-: ksi. Vapaalla elektronilla- tässä pienellä miinuksella, joka on piirretty hapen oikeassa yläkulmassa, mutta yksin, kirjoitettuna e– on jonkin verran vapautta liikkua. Se näyttäisi voivan poistua reaktiomekanismin -CO- → -C = O + e- kautta.
Toisaalta toisen hapen pitäisi pystyä ottamaan se elektroni -C = O + e- → -CO-. Pointti on, että molemmat hapot ovat ekvivalentteja tässä ympäristössä, jossa kumpikaan ei ole vetyatomin rasittama. Ainakin paperilla elektronin pitäisi pystyä resonoimaan tai kulkemaan edestakaisin kahden happiatomin välillä.
Loogisesti tämän resonanssin pitäisi stabiloida karboksylaatti elektronien delokalisoinnin vuoksi. Lisäksi kumpikaan happi ei saa sitoutua hiileen yksinkertaisella tai kaksoissidoksella. Joukkovelkakirjojen pituuden tulisi olla sama ja olla jotain ”puolitoista” joukkovelkakirjalainaa. Itse asiassa ne ovat. Etikkahapon karbonyyli-happi-hiili-sidoksen pituus on 1.21Å ja hiili-sitoutuneen hydroksyylin pituus on 1.36Å, kun taas karboksylaatilla molemmat hiili-happisidoksen pituudet ovat 1.26Å.