Os oxetanos apresentam um leve alargamento dos ângulos de ligação C-C-C do anel externo e um pequeno grau de enrugamento (medido pelo ângulo diedro θ). Na fase gasosa, os dados espectroscópicos de micro-ondas indicam que o oxetano original tem uma estrutura efetivamente plana com uma barreira de inversão de baixo enrugamento (baixo dobramento). A substituição na posição 3 leva ao aumento das interações de etiolação com grupos de metileno vizinhos e, consequentemente, o encolhimento (dobramento) mais pronunciado do anel de oxetano é encontrado em muitas estruturas. No entanto, o ângulo de encolhimento (dobramento) ainda é muito pequeno, permitindo uma maior proximidade estrutural entre as unidades de oxetano e carbonila.
As propriedades físico-químicas e farmacocinéticas dos compostos são exploradas rotineiramente no início do processo de descoberta em projetos modernos de descoberta de medicamentos, e sua otimização é cada vez mais realizada em paralelo com a afinidade e a seletividade do alvo. Essa estratégia de otimização multidimensional melhora significativamente a transição bem-sucedida da descoberta do composto principal para a análise inicial in vivo de possíveis candidatos a medicamentos. No entanto, a otimização das propriedades dos compostos continua sendo um desafio considerável na química medicinal. Portanto, as pequenas porções moleculares que podem ser facilmente enxertadas em moléculas e modular as propriedades do composto de maneira previsível são de grande interesse. E os oxetanos são uma dessas moléculas. Anteriormente, a síntese de oxetanos era trabalhosa e havia preocupações com sua estabilidade metabólica, por isso eles eram usados com moderação. Em comparação com outros heterociclos de quatro membros, os oxetanos atraíram um interesse especial nas comunidades de química sintética e medicinal.
O produto natural mais conhecido que contém oxetano é o paclitaxel, que também é o único composto de oxetano biologicamente ativo aprovado pela FDA (Fig. 3). Geralmente conhecido pelo nome comercial Taxol, o grupo oxetano acrescenta tridimensionalidade, e o átomo de oxigênio carregado negativamente confere um forte efeito de retirada de elétrons no oxetano, que se propaga para a posição 3 por meio de duas estruturas curtas de ligação σ. Assim, foi demonstrado que, com a amina, os α-oxetanos reduzem o pKa das aminas de 9,9 para 7,2 em 2,7 unidades (ou seja, cerca de 500 vezes a redução da basicidade) por meio de seu efeito de retirada de elétrons. Além disso, Hayes e colegas (AstraZeneca) demonstraram recentemente que compostos selecionados de oxetano são degradados pela epóxido hidrolase microssomal humana (mEH). Esse é um substrato não epóxido para a mEH, que pode ter a aplicação potencial de evitar a eliminação da enzima do citocromo P450 (CYP), o que pode ser problemático, pois interações medicamentosas indesejadas e imprevisíveis podem levar à hepatotoxicidade com medicamentos administrados em conjunto.
A alta rigidez dos anéis menores, associada a átomos de oxigênio com carga negativa, também torna os substratos de oxetano potencialmente instáveis aos processos de degradação de abertura de anel, especialmente em condições ácidas. A estabilidade dos oxetanos geralmente é determinada por seu padrão de substituição, sendo que os exemplos 3,3-dissubstituídos são os mais estáveis porque o caminho do reagente nucleofílico externo para o orbital de anti-ligação C-O σ* é bloqueado pelo espaço do substituinte. A instabilidade de um determinado composto também pode depender de características estruturais locais, incluindo a presença de outros locais básicos. Os reagentes nucleofílicos internos também podem levar a um processo de ciclização, que é um dos métodos sintéticos para oxetanos.