Les oxétanes présentent un léger élargissement des angles de liaison C-C-C de l'anneau extérieur et un faible degré de plissement (mesuré par l'angle dièdre θ). En phase gazeuse, les données spectroscopiques des micro-ondes indiquent que l'oxétane parent a une structure effectivement plane avec une barrière d'inversion de plissement faible. La substitution en position 3 conduit à des interactions d'étiolation accrues avec les groupes méthylènes voisins et, par conséquent, à un rétrécissement (pliage) plus prononcé de l'anneau d'oxétane dans de nombreuses structures. Néanmoins, l'angle de rétrécissement (repliement) reste très faible, ce qui permet une plus grande proximité structurelle entre les unités oxétane et carbonyle.
Les propriétés physicochimiques et pharmacocinétiques des composés sont régulièrement explorées dès le début du processus de découverte dans les projets modernes de recherche de médicaments, et leur optimisation est de plus en plus souvent réalisée en parallèle avec l'affinité et la sélectivité de la cible. Cette stratégie d'optimisation multidimensionnelle améliore considérablement la transition entre la découverte de composés principaux et l'analyse in vivo précoce des médicaments candidats potentiels. Néanmoins, l'optimisation des propriétés des composés reste un défi considérable en chimie médicinale. C'est pourquoi les petites entités moléculaires qui peuvent être facilement greffées sur des molécules et moduler les propriétés des composés de manière prévisible sont d'un grand intérêt. Les oxétanes sont l'une de ces entités. Auparavant, la synthèse des oxétanes était laborieuse et leur stabilité métabolique suscitait des inquiétudes, si bien qu'ils étaient utilisés avec parcimonie. Par rapport à d'autres hétérocycles à quatre chaînons, les oxétanes ont suscité un intérêt particulier dans les milieux de la chimie de synthèse et de la chimie médicinale.
Le produit naturel le plus connu contenant de l'oxétane est le paclitaxel, qui est également le seul composé d'oxétane biologiquement actif approuvé par la FDA (Fig. 3). Souvent connu sous le nom de Taxol, le groupe oxétane ajoute la tridimensionnalité), et l'atome d'oxygène chargé négativement confère à l'oxétane un fort effet d'extraction d'électrons, qui se propage jusqu'à la position 3 par l'intermédiaire de deux cadres de liaison σ courts. Ainsi, il a été démontré qu'avec les α-oxétanes aminés, le pKa des amines de 9,9 à 7,2 est réduit de 2,7 unités (soit une réduction de la basicité d'environ 500 fois) grâce à leur effet d'extraction d'électrons. En outre, Hayes et ses collègues (AstraZeneca) ont récemment montré que certains composés oxétanes sont dégradés par l'époxyde hydrolase microsomale humaine (mEH). Il s'agit d'un substrat non époxyde pour la mEH, ce qui pourrait permettre d'éviter le piégeage par l'enzyme du cytochrome P450 (CYP), ce qui peut être problématique car des interactions médicamenteuses indésirables et imprévisibles peuvent entraîner une hépatotoxicité avec des médicaments administrés en même temps que la mEH.
La grande rigidité des petits anneaux associée à des atomes d'oxygène chargés négativement rend également les substrats d'oxétane potentiellement instables pour les processus de dégradation par ouverture de cycle, en particulier dans des conditions acides. La stabilité des oxétanes est généralement déterminée par leur schéma de substitution, les exemples 3,3-disubstitués étant les plus stables car le chemin du réactif nucléophile externe vers l'orbitale de liaison C-O σ* est bloqué par l'espace du substituant. L'instabilité d'un composé particulier peut également dépendre de caractéristiques structurelles locales, notamment la présence d'autres sites basiques. Les réactifs nucléophiles internes peuvent également conduire à un processus de cyclisation, qui est l'une des méthodes de synthèse des oxétanes.