De oxetanen vertonen een lichte verbreding van de buitenring C-C-C bindingshoeken en een kleine mate van rimpeling (gemeten aan de hand van de tweevlakshoek θ). In de gasfase geven de microgolfspectroscopische gegevens aan dat het moederoxetaan een effectief vlakke structuur heeft met een lage rimpeling (lage vouw) inversiebarrière. Substitutie op de 3-positie leidt tot verhoogde etiolatie-interacties met naburige methyleengroepen, en daardoor wordt in veel structuren een meer uitgesproken krimp (vouw) van de oxetaanring gevonden. Desondanks is de krimp(vouw)hoek nog steeds erg klein, waardoor de oxetaan- en carbonyleenheden structureel dichter bij elkaar liggen.
De fysisch-chemische en farmacokinetische eigenschappen van verbindingen worden routinematig onderzocht in een vroeg stadium van het ontdekkingsproces in moderne projecten voor het ontdekken van geneesmiddelen, en hun optimalisatie wordt steeds vaker parallel uitgevoerd met de affiniteit en selectiviteit van het doelwit. Deze multidimensionale optimalisatiestrategie verbetert de succesvolle overgang van de ontdekking van de hoofdverbinding naar de vroege in vivo analyse van potentiële kandidaat-geneesmiddelen aanzienlijk. Toch blijft de optimalisatie van de eigenschappen van verbindingen een aanzienlijke uitdaging in de medicinale chemie. Daarom zijn kleine moleculaire verbindingen die gemakkelijk op moleculen kunnen worden geënt en de eigenschappen van verbindingen op voorspelbare wijze kunnen moduleren, van groot belang. Oxetanen zijn zo'n groep. Vroeger was de synthese van oxetanen bewerkelijk en waren er zorgen over hun metabolische stabiliteit, dus werden ze spaarzaam gebruikt. Vergeleken met andere vierhoekige heterocycliden hebben oxetanen bijzondere interesse gewekt in de synthetische en medicinale chemie.
Het bekendste oxetaanbevattende natuurproduct is paclitaxel, dat ook de enige biologisch actieve oxetaanverbinding is die is goedgekeurd door de FDA (fig. 3). De oxetaangroep, vaak bekend onder de merknaam Taxol, voegt driedimensionaliteit toe en het negatief geladen zuurstofatoom heeft een sterk elektron-onttrekkend effect op het oxetaan, dat zich via twee korte σ-bindingen voortplant naar de 3-positie. Zo werd aangetoond dat α-oxetanen met amine de pKa van amines van 9,9 naar 7,2 verlagen met 2,7 eenheden (dat wil zeggen, ongeveer 500-voudige reductie in basiciteit) door hun elektron-onttrekkend effect. Daarnaast hebben Hayes en collega's (AstraZeneca) onlangs aangetoond dat geselecteerde oxetaanverbindingen worden afgebroken door humaan microsomaal epoxidehydrolase (mEH). Dit is een niet-epoxidesubstraat dat mEH wordt, wat de potentiële toepassing kan hebben van het vermijden van cytochroom P450-enzym (CYP) scavenging, wat problematisch kan zijn omdat ongewenste en onvoorspelbare medicijninteracties kunnen leiden tot hepatotoxiciteit met gelijktijdig toegediende geneesmiddelen.
De hoge stijfheid van de kleinere ringen gekoppeld aan negatief geladen zuurstofatomen maakt oxetaansubstraten ook potentieel onstabiel voor ring-opening afbraakprocessen, vooral onder zure omstandigheden. De stabiliteit van oxetanen wordt meestal bepaald door hun substitutiepatroon, waarbij 3,3-disubstitueerde voorbeelden het meest stabiel zijn omdat de weg van de externe nucleofiele reagens naar de C-O σ* antibonding orbitaal wordt geblokkeerd door substituentruimte. De instabiliteit van een bepaalde verbinding kan ook afhangen van lokale structuurkenmerken, waaronder de aanwezigheid van andere basische sites. Interne nucleofiele reagentia kunnen ook leiden tot een cyclisatieproces, wat een van de synthesemethoden voor oxetanen is.