这些氧杂环丁烷的外环 C-C-C 键角略有增宽，并出现了轻微的起皱（以二面角 θ 测量）。在气相中，微波光谱数据表明母体氧杂环丁烷具有有效的平面结构，皱折（低折叠）反转障碍较低。尽管如此，收缩（折叠）角度仍然很小，使得氧杂环丁烷和羰基单元在结构上更加接近。
在现代药物发现项目中，化合物的物理化学和药代动力学特性通常在发现过程的早期进行探索，其优化越来越多地与靶点亲和力和选择性同时进行。这种多维优化策略大大提高了从先导化合物发现到潜在候选药物早期体内分析的成功过渡。然而，化合物性质的优化仍然是药物化学领域的一大挑战。因此，能够轻松接枝到分子上并以可预测的方式调节化合物性质的小分子分子备受关注。氧杂环丁烷就是这样一种分子。以前，氧杂环丁烷的合成非常费力，而且人们担心其代谢稳定性，因此很少使用。 与其他四元杂环相比，氧杂环丁烷引起了合成化学和药物化学界的特别关注。
最著名的含氧杂环丁烷天然产品是紫杉醇，它也是美国食品及药物管理局批准的唯一具有生物活性的氧杂环丁烷化合物（图 3）。氧杂环丁烷基团增加了三维性，带负电荷的氧原子对氧杂环丁烷产生强烈的电子抽离效应，电子通过两个短的σ键框传播到 3 位。因此，研究证明，α-氧杂环丁烷通过其电子抽离效应可将胺的 pKa 值从 9.9 降至 7.2，降低 2.7 个单位（即碱性降低约 500 倍）。此外，Hayes 及其同事（阿斯利康公司）最近研究发现，某些氧杂环丁烷化合物会被人体微粒体环氧化物水解酶（mEH）降解。这是一种 mEH 的非环氧化物底物，可能具有避免细胞色素 P450 酶（CYP）清除作用的潜在应用价值。
小环的高刚性加上带负电荷的氧原子，也使得氧杂环丁烷底物在开环降解过程中可能不稳定，尤其是在酸性条件下。氧杂环丁烷的稳定性通常由其取代模式决定，3,3-二取代的例子最为稳定，因为外部亲核试剂进入 C-O σ* 反键轨道的路径被取代基空间阻断。特定化合物的不稳定性还可能取决于局部结构特征，包括是否存在其他碱性位点。 内部亲核试剂也可导致环化过程，这也是氧杂环丁烷的合成方法之一。