Karboksilo grupė arba karboksirūgšties grupė yra keturių atomų, veikiančių kaip vienetas, derinys: vienas anglies (C), dviejų deguonies (O) ir vieno vandenilio (H). Organiniai chemikai paprastai karboksilo grupės struktūrą rašo tiesiog -COOH arba -CO2H. Nežinantiems žmonėms tai rodo, kad du deguonies atomai yra sujungti arba susieti vienas su kitu, nors taip nėra. Deguonis, patrauktas tiesiai į dešinę nuo anglies, dalijasi abu valentiniais elektronais su tuo atomu, sudarydamas karbonilo grupę (-C=O). Kitas deguonis prisijungia prie tos pačios anglies ir vandenilio tik pavieniais ryšiais, todėl susidaro prie anglies prijungta hidroksilo grupė (-C-OH).
Organiniai junginiai, turintys vieną ar daugiau karboksilo grupių, vadinami karboksirūgštimis. Du paplitę vienos karboksilo grupės karboksirūgšties pavyzdžiai yra skruzdžių rūgštis (HCOOH), kuri pirmiausia gaunama distiliuojant skruzdėles, ir acto rūgštis (CH3COOH), fermentacijos actas. Galinga oksalo rūgštis yra pati paprasčiausia iš tų rūgščių, turinčių dvi karboksilo grupes. Jo cheminė struktūra gali būti nubrėžta kaip HOOC-COOH arba (COOH)2. Deguonies turinčios karboksirūgštys paprastai yra stipresnės, nei būtų galima manyti.
Taip yra todėl, kad tam tikri veiksniai teikia pirmenybę jonizuotai formai arba karboksilato anijonui, -COO-, o ne jungtinei karboksilo grupei. Kai vandenilis pasišalina, jo elektronas lieka už nugaros. Nors tai yra gamtos reiškinys, kai krūvis „trokšta“ būti neutralizuotas, kiti veiksniai, tokie kaip rezonansas, gali žymiai stabilizuoti įkrautą cheminę rūšį. Norint tai įsivaizduoti, būtina dar kartą išsamiau apsvarstyti karboksilo grupės struktūrą.
Karboksilate prie anglies prijungta hidroksilo grupė -C-OH pasikeičia į -CO-. Laisvas elektronas – čia mažas minusas, nubrėžtas viršutiniame dešiniajame deguonies kampe, bet vienas, parašytas kaip e- – turi tam tikrą laisvę judėti. Atrodo, kad jis gali pasitraukti per reakcijos mechanizmą -CO- → -C=O + e-.
Ir atvirkščiai, kitas deguonis turėtų sugebėti paimti tą elektroną -C=O + e- → -CO-. Esmė ta, kad abu deguonys yra lygiaverčiai šioje aplinkoje, kurioje nė vienas nėra apsunkintas vandenilio atomu. Bent jau popieriuje elektronas turėtų sugebėti rezonuoti arba keliauti pirmyn ir atgal tarp dviejų deguonies atomų.
Logiškai mąstant, šis rezonansas turėtų stabilizuoti karboksilatą dėl elektronų delokalizacijos. Be to, deguonis neturėtų jungtis su anglimi nei viengubu, nei dvigubu ryšiu. Obligacijų ilgis turi būti lygus ir panašus į „pusantro“ obligaciją. Tiesą sakant, jie yra. Acto rūgšties atveju karbonilo deguonies ir anglies jungties ilgis yra 1.21Å, o prie anglies prijungto hidroksilo ilgis yra 1.36Å, o karboksilato atveju abu anglies ir deguonies jungties ilgiai yra 1.26Å.